응축기 관벽 오염과 파울링계수

왜 배우는가: 응축기 관벽 오염은 수냉식 응축기의 응축 능력과 터빈·냉동 사이클 출력을 직접 떨어뜨리므로 실무 설비 관리의 핵심이다. 열전달 저항을 정량화하는 파울링계수는 전열면적 설계 여유와 세관 주기를 정하는 기준이 되어 기술사 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제132회 4교시 3번, 제120회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수냉식 응축기 관벽 오염은 냉각수 중 불순물이 전열면에 퇴적되어 열저항을 증가시키는 현상이며, 이때의 추가 저항을 파울링계수로 나타낸다.

• 파울링(Fouling)
• 오염계수(Fouling Factor)
• 스케일(Scale)
• 생물오손(Biofouling)
• 콜게이트관(Corrugated Tube)
• 총괄열전달계수(Overall Heat Transfer Coefficient)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 응축기 전열관 안쪽에 물속 이물질이 달라붙어 얇은 층을 이루는 현상이다. 이 층은 열이 잘 통하지 않으므로 같은 면적으로도 냉매를 식히는 능력이 떨어진다.

정식으로는 파울링(Fouling)을 전열면에 불순물이 침적되어 열전달 성능을 시간에 따라 저하시키는 현상이라고 정의한다. 침적 과정은 부착(deposition)과 탈리(re-entrainment, suppression)의 차이로 정해진다. 침적률이 탈리율보다 크면 오염층이 누적된다.

오염층의 열저항은 층의 두께와 열전도율로 결정된다. 평균 두께를 x(m), 열전도율을 k(W/m·K)라 하면 단위면적당 오염저항은 R_f = x/k(m²·K/W)이다. 이 값이 파울링계수(Fouling Factor) 또는 오염계수의 기본 식이다. 오염층 열전도율은 보통 금속벽보다 크게 낮으므로 얇은 층도 전체 저항을 크게 늘린다.

오염 발생 원인은 크게 다음 다섯 가지로 정리된다. 첫째, 전단응력이 낮은 흐름, 둘째, 유속이 너무 낮은 흐름, 셋째, 유속이 너무 높아 전열면이 침식되는 흐름, 넷째, 반응 생성물의 고체 석출, 다섯째, 벽 온도 상승에 따른 용존 불순물의 석출이다. 응축기에서는 이 중 유속 저하와 벽 온도 상승에 의한 석출이 특히 중요하다.

오염은 '결정화 오염(Crystallisation Fouling)', '입자 오염(Particle Fouling)', '반응 오염(Reaction Fouling)', '생물 오염(Biofouling)' 등으로 나뉜다. 냉각수 측에서는 스케일과 생물막이 대표적이다.

3. 등장 배경과 필요성

응축기는 고온 냉매 증기를 냉각수로 식히는 열교환기다. 냉각수는 해수, 하천수, 순환수 등 불순물을 많이 함유하므로 전열관 내면에 쉽게 오염이 생긴다. 초기에는 설계 열전달계수로 운전해도 시간이 지나면서 응축압력이 상승하고 소요동력이 증가한다.

발전소의 복수기에서는 이 현상이 출력 저하로 이어진다. 오염층이 두꺼워지면 증기 응축이 어려워져 터빈을 감출력 운전해야 하고, 연료 소비와 CO₂ 배출이 함께 늘어난다. 따라서 오염을 예측하고 세관 주기를 정하는 것은 운전 경제성과 직결된다.

설계 단계에서는 오염 여유를 파울링계수로 반영한다. 파울링계수가 클수록 필요한 전열면적이 커지고 설비비가 증가하므로, 냉각수 수질과 유속에 맞춘 오염계수를 정하는 것이 설계의 핵心 과제가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

응축기 관벽 오염은 전열관 안쪽(물측)과 바깥쪽(냉매측)에 이물질이 쌓여 열저항을 늘리는 현상이다. 수냉식 응축기에서는 주로 물측 관내면에 스케일과 생물막이 생기며, 이 층이 열전달 성능을 떨어뜨린다. 구성요소를 나누어 보면 열전달 경로는 냉매 측 응축 열전달, 관벽 전도, 오염층 전도, 냉각수 측 대류로 직렬 연결되어 있다.

오염층은 열전도율이 낮아 추가 저항으로 작용한다. 오염층의 두께가 커질수록 전체 열관류율은 감소한다. 오염이 가장 많이 생기는 쪽은 저유속 구간이며, 관벽 온도가 높을수록 결정 침전이 촉진된다.

원리는 다음 식으로 정리한다. 오염이 없는 깨끗한 면의 열관류율과 오염을 포함한 열관류율의 관계는 아래와 같다.

$\frac{1}{U_f}=\frac{1}{U_c}+R_{f,i}+R_{f,o}$

여기서 U_f는 오염 포함 열관류율(W/(m²·K)), U_c는 깨끗한 면의 열관류율(W/(m²·K)), R_{f,i}·R_{f,o}는 관 내측·외측 오염저항(m²·K/W)이다. 오염저항은 오염층 두께와 열전도율로 정해진다.

$R_f=\frac{x}{k_f}$

x는 오염층 평균 두께(m), k_f는 오염층 열전도율(W/(m·K))이다. 두께가 같더라도 열전도율이 낮은 스케일일수록 저항이 크다.

물측 오염 관리 절차는 다음과 같다.

• 냉각수 수질 분석으로 경도·실리카·염소 농도와 미생물 수를 확인한다.
• 수처리(연화, 약품 투입, 살균)로 침전과 생물 번식을 억제한다.
• 냉각수 유속을 설계 범위 안에서 유지해 침착을 줄인다.
• 열성능 저하를 응축압력 상승과 응축기 출구 온도로 감시한다.
• 오염 계수가 한계에 도달하면 기계적·화학적 세관을 실시한다.

흐름을 한눈에 보면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

응축기 오염계수는 법령으로 정해진 값이 아니라 설계 기준서와 제작사 설계 자료에서 정한다. 튜브형 열교환기의 오염계수는 설계 규정(TEMA 등 기준)에 따라 선정하는 것이 일반적이다. 국내 설계에서는 냉동 설비 설계 기준과 제작사 자료를 함께 쓴다.

기준값은 근거가 있는 범위에서만 표시했다. 오염 저항의 실제 설계값은 냉각수 수질과 운전 조건에 따라 달라지므로 설계 기준서의 값을 따른다.

관련 법령으로는 산업안전보건 및 고압가스 관련 규정이 있다. 설비의 점검·세관 주기는 사업장 관리 기준에 따른다.

6. 유형과 비교

응축기 파울링은 설치 위치와 냉각 방식에 따라 나뉘며, 수냉식 응축기에서는 물측 전열관 내면의 오염이 주로 문제가 된다. 오염의 성질에 따라 결정화 오염, 입자 오염, 반응 오염, 생물 오염으로 나누어 비교한다.