5.2 설계 조건에 따른 시스템 효율 분석
5.2.2 설계처리량에 따른 시스템의 에너지 효율 및 일일처리량
4.3의 동결농축처리시스템 설계처리량이 달라질 때 시스템 해석결과를 분석 하여 각 기기별 소비동력을 계산하고 처리량에 대한 운전 소비전력량의 비로 에너지 효율을 구하였다. 또, 폐수배출시설의 배출기준이 되는 일일배출량에 따라 처리시스템의 용량이 선정되므로 시스템의 회당 운전시간을 기준으로 일 일 처리횟수 및 처리량을 비교 분석하였다.
(1) 에너지 효율분석
해석 결과로 얻은 시스템 각 구성 기기들의 소비전력량과 식 (5.1)에 따라 처리량 즉 제빙량에 대한 소비전력량비를 구하여 Table 5.3에 정리하였다.
Table 5.4는 폐수가 제빙기 내에서 동결농축처리되는 과정의 해석 결과 중 증발기 흡수열( )의 사용내역을 분석한 것으로, 냉브라인으로 전달된 냉열 중 동결농축과정 즉 제빙과정에 직접 관련된 동결잠열() 및 동결층 냉각열 량()으로 활용되는 비율()이 처리량과 비례적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig. 5.2는 설계처리량의 변화에 따른 소비전력량비( )와 증발기 열량 중 동 결잠열 및 동결층 냉각에 사용된 열량 비()를 나타낸 것으로, 처리량이 커 질수록 소비전력량비는 작아지고 폐수의 직접 동결에 사용되는 열량 비는 상 승하는 경향을 알 수 있다. 이는 설계처리량이 커질수록 시스템 부하가 증가 하여 소모에너지가 늘어나지만, 동결량의 증가폭이 크고, 냉동기에서 공급되는 열이 상변화의 잠열과 동결층 냉각열로 이용되는 비율이 상승하여 소비전력량 비가 작아지는 것으로 분석되었다. 결론적으로 설계처리량이 클수록 생산되는 얼음의 양이 많고, 처리량 즉 제빙량과 관련된 동결잠열 및 동결층의 냉각열 량의 이용률이 높아져 시스템이 갖는 에너지 효율이 향상되는 것으로 나타났다.
여기서도 처리량과 상관없이 전체 소비전력량 중 냉동부의 압축기가 차지하는 비중이 약 95 %로 냉동기의 성적계수가 시스템의 효율을 크게 지배 하는 것 으로 나타났다.
Design capacity (%)
TCout
(㎏)
PWRin(㎾h)
(㎾h/㎏) IL* CMP Pcb Pwb Pab Pfs Pfd Pws Pwd total
50 125 0.939 12.020 0.340 0.337 0.016 0.009 0.009 0.009 0.005 13.684 0.109 60 150 1.010 13.2 0.373 0.370 0.019 0.009 0.009 0.009 0.004 15.003 0.1 70 175 1.080 14.381 0.407 0.403 0.022 0.009 0.009 0.009 0.003 16.323 0.093 80 200 1.151 15.560 0.440 0.436 0.025 0.009 0.009 0.009 0.002 17.641 0.088 90 225 1.222 16.740 0.474 0.470 0.029 0.009 0.009 0.009 0.001 18.963 0.084
Table 5.3 Rate of electric power consumption at design treatment capacity
Design capacity (%)
(kJ/h)
Heat flow(kJ/h)
*
(%)
50 92,770 44,290 25,630 21,580 193.0 47.7 60 101,900 53,150 25,730 21,580 231.6 52.2 70 111,000 62,000 25,840 21,580 270.5 55.9 80 120,100 70,860 25,940 21,580 309.1 59.0 90 129,200 79,720 26,050 21,580 347.7 61.7
* : Rate of heat used to make and cool frozen layer in evaporator capacity
Table 5.4 Consumption of evaporator heat in waste-water FC treatment process
50 60 70 80 90 0.08
0.09 0.10 0.11
0.12 Rate of electric power consumption(η
e) Heat ratio used in FC process(R
im)
Design capacity(%) R a te o f e le c tr ic p o w e r c o n s u m p ti o n (η
e)
45 50 55 60 65
H e a t ra ti o u s e d i n F C p ro c e s s (R
im)
Fig. 5.2 Energy efficiency of waste-water FC treatment system at design capacity
(2) 설계처리량에 따른 일일 폐수처리량의 비교
Table 4.22는 설계처리량별 각 시스템이 일회 폐수를 처리하는데 소요되는 시간을 계산한 것으로 설계 용량에 따라 큰 차이가 없이 약 75분으로 거의 동 일한 것으로 나타났다. 처리시간이 동일해 각 시스템이 일일 운전하는 횟수도 같아지므로 일일처리량은 Table 5.5와 같이 설계처리량이 클수록 많아진다.
Fig 5.3은 설계처리량별 일일처리량을 나타내고 있으며 회당 처리량이 큰 조 건이 일일처리량도 많은 것을 알 수 있다.
Item
Design capacity (%)
50 60 70 80 90
Inflow of waste-water(㎏) 250 250 250 250 250 Treatment capacity(㎏) 125 150 175 200 225
Operation time(min) 75 75 75 75 75 Number of daily treatment
(times) 19 19 19 19 19
Daily treatment capacity(㎏) 2,375 2,850 3,325 3,800 4,275 Daily electric Power
consumption(㎾h) 260.0 285.06 310.14 335.18 360.30 Rate of electric power
consumption(㎾h/㎏) 0.109 0.1 0.093 0.088 0.084 Table 5.5 Daily treatment capacity at design capacity
50 60 70 80 90 100
150 200 250 300
One batch treatment capacity Daily treatment capacity
Design capacity(%)
O n e b a tc h t re a tm e n t c a p a c it y (k g )
1000 2000 3000 4000 5000
D a il y t re a tm e n t c a p a c it y (k g )
Fig. 5.3 One batch and daily treatment capacity
5.2.3 운전처리량에 따른 시스템 효율 및 일일처리량
동결농축처리시스템이 4.4와 같이 설계처리량과 달리 실제 운전에서 처리량 이 변할 때 시스템 해석결과를 분석하여 각 기기별 소비동력을 계산하고, 처 리량과 운전 소비전력량과의 비로 에너지 효율을 구하였다. 또, 폐수배출시설 의 배출기준이 되는 일일배출량에 따라 처리시스템의 용량이 선정되므로 시스 템의 회당 운전시간을 기준으로 일일 처리횟수 및 처리량을 비교 분석하였다.
(1) 에너지 효율분석
계산결과 얻어진 시스템 구성 기기들의 소비전력량과 식 (5.1)에 따라 소비 전력량비( )를 구하여 Table 5.6에 정리하였다.
Fig. 5.4는 운전처리량을 기준으로 소비전력량비를 나타낸 것으로 설계 기준 인 70 % 처리량 보다 많게 운전하는 경우 소비전력량비가 감소하고 있다. 이 는 시스템이 소비하는 동력의 증가보다 처리되는 폐수량 증가분이 더 크기 때 문이다. 운전처리량이 커질수록 시스템의 운전시간도 증가하여 사용되는 에너 지 즉, 소비전력량도 증가하지만 생산되는 동결량의 증가폭이 커져서 결국 시 스템 효율이 상승하는 것으로 생각된다.
실제 시스템에서는 동결층이 성장할수록 얼음의 열저항 증가로 냉각면과 폐 수간의 동결계면에서 열전달이 작아져 시간의 경과에 따라 동결층의 성장속도 가 감소한다. 설계 보다 처리량이 증가하게 되면 본 연구에서 가정한 동결속 도가 같다는 조건에서 해석된 시간보다 폐수를 동결농축 처리하는데 더 많은 시간을 필요로 할 것이다. 따라서 소비되는 전력도 더 커질 것이고 시스템 효 율은 계산된 값보다 감소하게 된다. 그러나 동결층의 성장속도가 동일하다고 가정한 경우에는 폐수의 동결처리량을 설계보다 많게 운전할수록 시스템 효율 을 높게 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 폐수의 처리용량 즉 유입된 원 폐수의 처리량을 높이는 것이 시스템 효율을 향상시키는 중요한 요인임을 알 수 있다.
Treatment c a p a c ity
(%)
TCout
(㎏)
PWRin(㎾h)
(㎾h/㎏) CMP Pcb Pwb Pab Pfs Pfd Pws Pwd total
50 125 12.084 0.342 0.342 0.016 0.009 0.009 0.009 0.005 12.816 0.103 60 150 13.745 0.389 0.386 0.019 0.009 0.009 0.009 0.004 14.570 0.097 70 175 15.405 0.435 0.431 0.022 0.009 0.009 0.009 0.003 16.323 0.093 80 200 17.065 0.482 0.475 0.025 0.009 0.009 0.009 0.002 18.076 0.090 90 225 18.955 0.536 0.526 0.028 0.009 0.009 0.009 0.001 20.073 0.089
Table 5.6 Rate of electric power consumption at operation treatment capacity
50 60 70 80 90 0.085
0.090 0.095 0.100 0.105 0.110
Operation treatment capacity(%) R at e o f el ec tr ic p o w er c o n su m p ti o n (η e)
Fig. 5.4 Rate of electric power consumption at operation capacity
(2) 회당 운전시간에 따른 일일 폐수처리량의 비교
시스템의 운전시간은 70 % 설계처리량에서 75분 운전하도록 설계하였다. 따 라서 운전처리량이 작을수록 시스템의 운전시간은 짧아지고, 처리량이 많을수 록 운전시간이 증가한다. 운전처리량별 회당 운전시간은 Table 4.27과 같다.
Table 5.7은 운전시간을 기준으로 운전처리량별 일일처리량을 나타낸 것이 다. 실제 장치가 처리하는 양이 설계 보다 많아질수록 회당 처리 시간은 증가 하나, 일일처리량에 있어서는 더 많은 양이 처리되는 상반된 결과를 볼 수 있 다. 결국 회당 처리량이 높은 운전이 일일 처리횟수는 감소하여도 전체 일일 처리량에 있어서는 유리한 것으로 나타났다. 그러나 이는 동결층의 성장속도 가 폐수를 처리하는 과정에서 동결층의 두께 변화와 상관없이 일정하다는 가 정하의 결과이며, 실제로는 동결층의 성장속도가 두께의 증가와 함께 시간의 경과에 따라 감소하므로 처리량이 증가할수록 즉 동결층의 두께를 두껍게 성 장시킬수록 회당 처리시간이 Table 4.27 보다 더 증가할 것으로 예상된다. 따 라서 실제 운전에서는 처리량이 증가할수록 시스템이 처리할 수 있는 일일처 리량도 본 연구에서 계산된 값보다는 작을 것으로 예상된다.
다음 Fig. 5.5 및 Fig. 5.6은 설계처리량에 따라 운전하는 경우와, 실제 70%
설계처리량과 달리 운전처리량이 변할 경우의 소비전력량비 및 일일처리량을 비교한 그래프이다. 시스템이 설계처리량 보다 작은 처리량으로 운전하는 경 우 같은 설계처리량을 갖는 시스템 보다 소비전력량비가 낮아 에너지 효율을 높게 유지할 수 있으며, 일일처리량에 있어서도 유리한 것으로 나타났다. 그러 나 실제 설계보다 작은 처리량으로 운전하게 되면 시스템의 냉동기가 부분부 하로 운전하게 되어 성적계수가 낮아지게 된다. 동결농축폐수처리시스템에서 냉동기 소비전력이 큰 비중을 차지하고 있고 시스템의 효율이 냉동기의 성적 계수에 큰 영향을 받고 있어 실제 부분부하로 운전하게 되면 시스템의 효율은 크게 낮아질 것으로 예상된다. 여기서는 냉동기의 성적계수가 부분부하에서도 같다는 가정하의 결과를 나타낸 것이다.
Item
operation treatment capacity (%)
50 60 70 80 90
Inflow of waste-water(㎏) 250 250 250 250 250 Treatment capacity(㎏) 125 150 175 200 225 Operation time(min) 61.2 67.6 74.3 80.9 88.3 Number of daily treatment
(times) 23.5 21.3 19.4 17.8 16.3 Daily treatment capacity(㎏) 2,938 3,195 3,395 3,560 3,668 Daily electric Power
consumption(㎾h) 301.18 310.34 316.67 321.75 327.19 Rate of electric power
consumption(㎾h/㎏) 0.103 0.097 0.093 0.090 0.089 Table 5.7 Daily treatment capacity at operation treatment capacity
50 60 70 80 90 0.08
0.09 0.10 0.11 0.12
Operation under design capacity
Operation different from 70 % design capacity
Treatment capacity(%) R at e o f el ec tr ic p o w er c o n su m p ti o n (η e)
Fig. 5.5 Rate of electric power consumption at operation condition
50 60 70 80 90 2000
2500 3000 3500 4000
4500 Operation under design capacity
Operation different from 70 % design capacity
Treatment capacity(%)
D ai ly t re at m en t ca p ac it y( kg )
Fig. 5.6 Daily treatment capacity at operation condition
5.3 폐수처리방법에 따른 경제성 비교
동결농축폐수처리시스템의 경제성을 타 처리방식과 비교 검토하기 위해, 국 내 중소규모의 폐수배출시설에서 자체 처리하는 경우 가장 많이 이용하고 있 는 증발농축처리법을 선정하여 사용 열원 별로 운전비용을 계산하였다. 또, 자 체처리하지 않는 경우 대다수의 업체가 폐수를 전문처리기관에 위탁처리하고 있어 위탁수수료를 조사하고, 동결농축폐수처리시스템 운전비용과 비교하였다.
5.3.1 증발농축폐수처리법의 처리비용
증발농축처리는 폐수를 가열하여 증발온도에서 폐수 내 물을 증발시켜 잔류 오염물질을 농축액으로 분리 배출하는 처리방법으로 원수를 가열하기 위한 열 원이 필요하다. 이때 동결농축폐수처리시스템과 동일한 원수를 증발농축 하는 데 필요한 열량은 25 ℃의 폐수를 증발온도 100 ℃로 가열하는 폐수가열열량 ( ) 및 가열된 폐수가 증기로 상변화 하는데 필요한 총 잠열()이 주어 져야 한다. 폐수를 증발농축처리하는 과정에서 필요한 총열량( )은 다음 식 (5.2)에서 계산하였으며 각 처리량별 총열량은 Table 5.8과 같다. 이때 증발농 축처리장치는 대기압에서 증발하며 열효율( )은 70 %라고 가정하였다. 또, 증기의 과열도와 증발과정의 감압조건은 고려하지 않았으며, 폐수의 비열은 동결농축폐수처리시스템의 해석과 같이 물의 비열을 반영하였다.
(5.2)
여기서,