3.2 시스템 해석을 위한 설계 조건
3.2.1 기본 설계 데이터
구성된 시스템과 운전에 따른 시스템의 에너지 효율을 검토하기 위해 프로 그램을 활용하여 시스템을 해석하게 되는데 이때 필요한 시스템의 기본 설계 조건들을 자세히 정할 필요가 있어, 다음과 같이 기본 설계 데이터를 정의하 였다.
폐수탱크에 저장된 폐수 중 일회 처리 가능한 양의 폐수가 폐수처리부에 유 입되는데 유입량은 250 ㎏/batch 규모로 정하였다. 유입된 폐수 중 동결을 통 해 처리되는 양 즉 제빙량은 설계처리량에 따라 결정되어야 할 것이다.
냉브라인의 온도는 폐수의 오염물질로 인한 빙점강하 현상을 충분히 고려하 여 -20 ℃ 선정하였다. 순수한 물의 경우에 0 ℃에서 얼음이 어느 것이 아니 라, 0 ℃ 이하의 온도에서 과냉각되어 빙핵이 형성된 후 얼음이 얼기 시작하 며, 그 때 물의 온도가 0 ℃ 이하가 되는 과냉각 현상이 발생한다. 오염물질이 포함된 폐수의 경우에는 과냉각도가 더 심해져 더 낮은 온도로 과냉각이 이루 어져야한다. 조사에 의하면 염화나트륨의 경우 1몰랄농도(molal concentration) 당 3.72 ℃ 빙점강하가 일어나며 유입폐수농도 10,000 ppm을 10배 농축할 경 우 빙점강하는 6.35 ℃에 이른다. 또한, 폐수동결 시 실제 어는점은 이론 빙점 보다 더 낮아진다. 위의 빙점 강하 현상을 고려할 때 염화나트륨 10,000 ppm(1 %) 용액을 10배 농축 시 최소제빙온도는 -15.35 ℃는 되어야 하며 제빙 량이 제대로 산출되기 위해서는 -3 ℃ 정도의 강하가 더 필요하다. 실제 폐수 에 다른 이온 성분이 많이 포함되어 있을 경우 빙점의 강하는 더욱 심화될 것 으로 사료된다. 여기서는 이를 충분히 고려하여 공급되는 냉브라인의 온도를
브라인은 에틸렌글리콜(C2H6O2) 50 % 수용액을 사용하였다. 에틸렌글리콜의 함유량이 45 % 이상이 되면 동결점의 온도가 - 33 ℃이하가 된다. 시스템에서 는 사용하는 온도 -20 ℃보다 충분히 낮은 동결점을 갖는 에틸렌글리콜 50 % 수용액을 간접 냉매로 선택하였다.
유입되는 폐수 온도는 산업체의 폐수배출시설에서 상온 조건(15 ℃) 보다 높 은 25 ℃로 유입되어 동결농축처리과정을 거쳐 1 ℃로 배출되고, 이때 형성되 는 동결층의 온도는 -10 ℃로 가정하였다. 폐수의 비열은 폐수의 오염물질의 종류, 농도 등에 따라 다양하나 여기서는 청수와 같다고 가정하였다.
온브라인은 냉동기의 응축기 냉각열을 축열하여 탈빙과정에서 사용하도록 설계되어 있어, 충분한 온도로 가열되도록 온도를 설정하였다. 설정온도를 50 ℃ 로 정한 것은 탈빙과정에서 냉각면과 얼음 접촉면의 온도 구배를 크게 하여 신속한 융해가 유도되도록 하는 이유와 추후 난방열원으로 활용하기 위한 열 매체로써 필요 온도를 충족하기 위한 두 가지 목적을 가지고 있다. 온브라인 은 냉브라인과 교체 운전되므로 농도의 변화를 방지하기 위해 동일한 에틸렌 글리콜 50 % 수용액을 사용하였다.
기포의 분사는 제빙관에 형성된 동결층 각각에 직접 분사하는 방법을 적용 하였으며, 이때 유입 외기의 온도를 25 ℃라 하고 공기냉각기(air cooler)를 통 해 폐수의 배출온도와 같은 1 ℃로 냉각하여 시스템의 열손실을 최소화하였 다. 각 제빙관에 분사되는 기포 분사량은 관당 5 L/min을 공급하는 것으로 하 였다.
또, 동결초기에 발생하는 과냉각현상에 의한 분리효율 저하를 최소화하기 위해, 시스템에서는 폐수를 동결농축처리하기 전에 청수를 이용하여 얇은 막 을 형성하는 방법을 적용하였다. 이 얇은 초기빙층(ice-lining)은 제빙관에 1 ㎜ 로 착빙되어 -10 ℃ 온도로 냉각된다. 폐수의 동결농축과정에서는 초기빙층에 추가적으로 얼음층이 착빙된 후 15 ㎜ 두께의 동결층으로 성장하는 과정을 거 쳐 오염물질이 잔류 폐수에 농축된다. 시스템의 기본 설계 데이터를 정리하면 Table 3.1과 같다.
Waste-water inflow 250 ㎏/batch Treatment capacity (Ice amount) Design capacity
Ice
Specific heat 2.0934 kJ/㎏K Temperature -10 ℃
Thickness 15 ㎜
Waste-water
Inflow temp. 25 ℃ Discharge temp. 1 ℃
Specific heat 4.1868 kJ/㎏K
Cold brain
Supply temp. -20 ℃ Return temp. -17 ℃ Warm brain
Supply temp. 50 ℃ Return temp. 45 ℃
Injection air
Supply temp. 25 ℃ Cooling temp. 1 ℃
Injection rate 5 L/min (per cooling tube)
Brain
Ethylene glycol(C2H6O2) aqueous solution Concentration 50 %
Specific heat 2.9308 kJ/㎏K Specific gravity 1.085
Thickness 1 ㎜
Table 3.1 Basic design data of waste-water FC treatment system