이 글에서는 Air Cooled Type 의 열교환기 ( Radiator (or Fin Fan Cooler)) 설치시 Hot Air Recirculation 현상에 대해 실제 Project 수행 경험을 공유하고자 합니디. Project 수행시 유사 설비 적용에 참고가 되었으면 합니다.
공냉식 열교환기 재순환 현상 ( Hot Air Recirculation in Air Cooled Heat Exchanger)
일반적으로 Air Cooled Type 열교환기에서는 기기의 배치 및 설치 높이에 따라서 뜨거운 공기 재순환(Hot Air Recirculation) 현상이 발생되며, 이는 열교환기의 Cooling Performance 에 영향을 주기 때문에 초기 설계 단계에서 기기 Layout 및 설치 높이에 주의를 기울여야 한다.
Plant 에서 Air Cooled Type 열교환기의 경우 아래와 같은 경우에 HAR (Hot Air Recirculation) 현상이 흔하게 발생되어 진다.
1. 냉각장치 입구부분에 빠른 입구 속도
2. 바람이 불어오는 방향쪽에 냉각 장치의 배치
3. 바람이 불어오는 쪽에 장애물 (건물, 기타) 앞쪽에 냉각 장치를 배치
4. 서로 인접해서 공기 출구 높이가 다른 냉각장치를 여러 대 설치
5. 출구측 공기의 배출 속도가 낮은 경우
6. 무분별하게 강제통풍식(Forced draft type) 냉각장치와 흡입송풍식 (Induced draft type) 냉각장치를 혼합해서 배치할 경우
7. 여름철에 우세하게 나타나는 바람 방향을 고려하지 않고 냉각 장치를 설치했을 경우
아래 그림은 일반적인 Air Cooled Type 열교환기의 배치도이다.
여기서, 냉각장치 주의에 공기 흐름에 가장 큰 영향을 미치는 인자는
Vw : 바람의 풍속, Va : 냉각장치 입구 공기속도, Ve : 냉각장치 공기 배출 속도 이며, 바람의 형태는 매우 중요하다.
Wind 방향이 일정하고 안정된 경우는 열교환기의 성능에 큰 영향을 주지 않지만, 바람의 형태가 기복이 심할 경우 (Gusty Rolling Turbulent Wind) 는 열교환기 성능에 미치는 영향을 정확하게 예측하기 어려운 상황이 발생된다.
위의 그림에서 바람이 영향이 없다면 ( 즉 Vw = 0 m/s), 공기 재순환 현상은 아래와 같은 방정식으로 표현될 수 있다.
이식에서 계산값이 (+) 일 경우 더운 공기 재순환 현상은 발생되지 않지만, 만약 이 값이 (-) 일 경우 더운 공기 재순환 현상이 발생되는 조건이 된다. 이것은 다시 말해서 입구 공기 속도가 빨라질 경우 입구측 부분에 압력이 낮아져서, 출구로 배출되는 높은 온도의 공기 일부가 압력차로 인하여 입구쪽으로 재 순환된다는 것을 나타낸다.
아래 그림에서는 Unit 1 과 Unit 2 를 서로 다른 배출 위치를 가지도록 공기 냉각장치를 설치할 경우, 공기 재순환 현상에 거의 무방비 상태가 되므로 아래와 같은 배치는 피하는 것이 좋다.
또한, 아래 그림과 같이 바람이 불어오는 쪽에 빌딩이나 장애물이 있는 곳 앞에 열교환기를 설치할 경우 바람의 영향으로 이동하는 더운 공기가 장애물에 부딪혀 다시 공기 냉각기로 재순환 될수 있으므로 다음과 같은 배열은 피해야 한다.
따라서, 공기 냉각장치(Radiator, Cooling Tower)를 좁은 공간에 여러대 설치 해야 할 경우에는 상기 사항들이 반드시 반영하여 설치 위치가 고려되어야 할 것이다.
뿐만아니라, 아래의 배치의 경우 그림 1 의 경우는 그림 2 보다 공기 냉각기로 들어가는 주위의 공기 속도가 더 클 것이다. 그림1의 배치의 경우 공기 유입 면적이 (a,b,c,d)에 불과 하지만, 그림 2 의 경우는 공기 유입 면적이 (a,b,c,d,e,f,g,h) 이기 때문에 공기 접근 속도가 상대적으로 낮을 것이다. 따라서 "그림1" 의 경우는 공기 유입 높이에 대해 적절한 고려가 필요하다.
아래 계산 자료는 배치에 따른 Air Recirculation 분석 방법의 예이다.
