복수기

3. 작동 원리

응축기는 작동 유체(예: 증기 발전소의 물)에서 2차 유체 또는 주변 공기로 열을 전달하도록 설계되었다.^[4] 응축기는 위상 변화 중에 발생하는 효율적인 열 전달에 의존하며, 이 경우 증기가 액체로 응축될 때 발생한다.^[4] 증기는 일반적으로 2차 유체의 온도보다 높은 온도에서 응축기에 들어간다.^[4] 증기가 냉각되면 포화 온도에 도달하여 액체로 응축되고 대량의 잠열을 방출한다.^[4] 이 과정이 응축기를 따라 발생함에 따라 증기량은 감소하고 액체량은 증가한다.^[4] 응축기의 출구에서는 액체만 남는다.^[4] 일부 응축기 설계는 이 응축된 액체를 포화 온도 이하로 냉각시키기 위해 추가 길이를 포함한다.^[4]

응축기 설계에는 작동 유체, 2차 유체, 기하학적 구조 및 재료를 포함한 수많은 변형이 있다. 일반적인 2차 유체에는 물, 공기, 냉매 또는 상변화 물질이 있다.

응축기는 다른 냉각 기술에 비해 두 가지 중요한 설계상의 장점이 있다.^[4]

• 잠열에 의한 열 전달은 현열만으로 열 전달하는 것보다 훨씬 효율적이다.
• 작동 유체의 온도는 응축 과정에서 비교적 일정하게 유지되어 작동 유체와 2차 유체 간의 온도 차이를 최대화한다.

3. 1. 장점

4. 종류 및 형식

; 표면 복수기

냉각수가 복수기 냉각관 내를 통과하며, 증기와 직접 접촉하지 않는 것이다. 보일러 등의 배관을 순환하는 물의 청정도를 확보하기 위해, 화력 발전 등 많은 시스템에서 표면 복수기가 사용된다.

; 직접 접촉 복수기

냉각수를 복수기 내에 도입하여, 증기와 혼합하는 것이다. 지열 발전소에서는, 터빈 증기가 응축된 복수를 보일러에 공급할 필요가 없고, 복수의 청정도에 대한 요구가 엄격하지 않기 때문에, 구조가 간단하고 열교환에도 유리한 직접 접촉 복수기가 사용되는 경우가 많다.

4. 1. 표면 응축기

4. 2. 직접 접촉 응축기

4. 3. 화학 실험용 냉각기

4. 4. 산업용 증류 장치

4. 5. 냉난방 장치

5. 구조 및 성능

동체는 강철로 제작된 상자형 용기로, 부압을 견디기 위해 내부에 보강이 설치된다. 대형 발전 플랜트에서는 터빈 바로 아래에 배치되어 저압 터빈의 배기를 직접 받지만, 소규모 지열 발전 플랜트에서는 터빈 옆에 놓여 터빈 배기는 배관을 통해 유도되는 경우도 있다. 동체 하부에는 응축된 포화 액체가 고이는 피트가 있으며, 이를 핫웰이라고 한다.

냉각관은 복수기 동체 내부에 설치되어 냉각수를 통과시켜 증기를 냉각, 응축시키는 역할을 한다. 화력 발전소에서는 주로 알루미늄 합금이나 황동이 사용되지만, 부식되기 쉬운 부분에는 티타늄이 사용되기도 한다. 한편, 직접 접촉 복수기는 냉각관 대신 냉각수를 동체 내에 분사하는 노즐을 설치하여 냉각수와 증기를 직접 혼합하는 방식을 사용하며, 이는 주로 지열 발전 플랜트에 사용된다.

이상적인 단일 통과 응축기에서 냉각수 온도는 다음 공식에 따라 튜브를 따라 변화한다.

:$$\backslash Theta(x)\; =\; \backslash frac\{T\_H-T(x)\}\{T\_H-T(0)\}\; =\; e^\{-NTU\}\; =\; e^\{-\backslash frac\{h\; P\; x\}\{\backslash dot\{m\}\; c\}\}\; =\; e^\{-\backslash frac\{G\; x\}\{\backslash dot\{m\}\; c\; L\}\}$$

• $x$는 냉각수 입구로부터의 거리이다.
• $T(x)$는 냉각수 온도이며, ''T''(0)는 입구에서의 냉각수 온도이다.
• $T\_H$는 고온 유체의 온도이다.
• $NTU$는 전달 단위 수이다.
• $m$은 냉각수의 질량 (또는 기타) 유량이다.
• $c$는 단위 질량당 일정 압력에서 냉각수의 열용량이다.
• $h$는 냉각수 튜브의 열 전달 계수이다.
• $P$는 냉각수 튜브의 둘레이다.
• $G$는 냉각수 튜브의 열 전도율이다 (종종 $UA$로 표시됨).
• $L$은 냉각수 튜브의 길이이다.

5. 1. 동체

5. 2. 냉각관

• $x$는 냉각수 입구로부터의 거리이다.
• $T(x)$는 냉각수 온도이며, ''T''(0)는 입구에서의 냉각수 온도이다.
• $T\_H$는 고온 유체의 온도이다.
• $NTU$는 전달 단위 수이다.
• $m$은 냉각수의 질량 (또는 기타) 유량이다.
• $c$는 단위 질량당 일정 압력에서 냉각수의 열용량이다.
• $h$는 냉각수 튜브의 열 전달 계수이다.
• $P$는 냉각수 튜브의 둘레이다.
• $G$는 냉각수 튜브의 열 전도율이다 (종종 $UA$로 표시됨).
• $L$은 냉각수 튜브의 길이이다.

5. 3. 진공도

6. 부속 설비

저압 터빈은 부압으로 되어 있기 때문에 베어링부의 틈새 등에서 터빈 내로 미량의 공기가 유입된다. 이 공기가 복수기 내에 체류하면 진공도가 악화되어 발전 효율을 저하시킨다. 따라서, 에제터나 진공 펌프 등의 공기 추출기에 의해 복수기 내의 공기를 제거하고 있다. 특히 지열 발전에서는 증기에 포함된 비응축성 가스가 많기 때문에 대형 공기 추출기가 필요하다.

해수에 의한 냉각관의 부식을 방지하기 위해 복수기 입구 해수에 미량의 황산철(II)를 주입하여 관 내면에 보호 피막을 형성한다.

냉각관 내에 홍합 등의 해양 생물이 부착·번식하면 냉각 효율 저하, 압손 증가, 관의 부식이 발생한다. 이를 방지하기 위해 복수기 입구 해수에 미량의 염소를 주입하여 해양 생물의 번식을 막는다. 통상적으로 해수를 전기 분해하여 발생시킨 염소를 사용한다.

6. 1. 공기 추출기

6. 2. 철 이온 주입 장치

6. 3. 염소 주입 장치

7. 증기 기관차의 복수기

증기 기관차에서는 일반적으로 보일러에서 생성된 증기가 실린더로 보내져 동륜을 구동하고, 사용된 증기는 연실 내로 드래프트로 분출되어 화실/Firebox (steam engine)^영어의 공기 흐름을 돕는 데 사용된다. 이 때문에 물은 사이클을 순환하지 않고 일방적으로 소비되어 굴뚝에서 연료의 연소 가스와 함께 밖으로 배출된다. 이는 증기 기관차의 운행을 위해서는 빈번하게 물을 보충해야 함을 의미한다.

이에 반해, 수원 확보가 어렵고 물 보충 설비가 적은 건조 지대나, 양과 질 모두 안정적인 물 공급이 보장되지 않는 전장 등에서는 증기 기관차 운행을 위해 물 소비량을 최대한 줄이고자 하는 요구가 있었다.

이러한 지역에서는 급수를 위해 대형 물탱크를 설치하고, 더 나아가 그 물탱크에 비축하는 물을 수송하기 위해 탱크차를 연결한 물 수송 열차를 정기적으로 운행해야 하는 등, 물 확보에 어려움을 겪는 상황이었다.

따라서 증기 기관차에 복수기를 탑재하여 물을 순환시키는 경우가 있다. 복수기로 순환시켜도 누출되는 증기를 완전히 없앨 수는 없으므로, 전혀 물 보충을 생략할 수 있는 것은 아니며, 당연히 연료 보충도 필요하지만, 이론상 일반형 기관차 대비 약 90%, 실용 예에서는 40% 정도까지 물 소비를 줄일 수 있어, 일반형 기관차에 비해 상당히 항속 거리를 늘리거나, 각 급수 시설의 물 소비량 감소가 가능하다.

그러나 그와 동시에 배기 증기를 회수해 버리므로 이를 드래프트로 사용할 수 없게 되어, 터보 블로어 팬과 같은 동력식 드래프트 장치를 설치하는 등의 대체 조치가 필요하며, 더 나아가 복수기에서의 수분 응결에 있어서도 냉각 팬의 구동이 필요하게 된다. 따라서 이러한 보조 기기에 본래 주행에 사용해야 할 에너지가 소비되어 복수기를 갖지 않은 통상형 기관차보다 성능이 저하되는^[6] 단점이 있다. 또한, 복잡한 복수기를 탑재하기 때문에 기관차 자체의 크기가 대형화되는 문제도 있다.

복수기를 사용한 증기 기관차는 독일의 헨셸사에 실적이 있으며, 제2차 세계 대전 전에 아르헨티나, 러시아向け 복수기식 증기 기관차 납품 실적이 있다. 또한 제2차 세계 대전의 독소전에서는 독일 자체가 복수기식으로 개조한 BR52를 사용했다. 제2차 세계 대전 이후에는 남아프리카 공화국 철도 25형 증기 기관차의 예가 있다.

7. 1. 복수기 사용 증기 기관차의 장점과 단점

7. 2. 개발 사례

참조

_[1] 서적 Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment http://encyclopedia.[...] University of Michigan
_[2] 서적 Christian Ehrenfried Weigel, Volume 1 https://books.google[...] Aere Dieterichiano 2019-09-16
_[3] 서적 Handwörterbuch der reinen und angewandten Chemie Friedrich Vieweg und Sohn 1842
_[4] 간행물 Compact Heat Exchangers OSTI 1984-01
_[5] 문서 沸点に達した状態の液体。
_[6] 문서 例えば南アフリカ国鉄25型ではこの復水器の補機群だけで700馬力のもの出力が消費された。