냉각시스템 개선, 열이송 시스템

1. 개선 전

1) 현황 및 문제점

○ 당 사업장의 합성고무 냉각 Kneader에 공급되는 냉수는 Kneader에 합성고무 반죽물이
없는 상태에서도 계속 공급되어 냉수의 온도차에 의한 손실열량과 펌프의 불필요한 소
비전력이 발생하고 있으며 냉수탱크 및 냉수 순환배관이 미보온 되어 방산열량에 의한
손실이 발생하고 있다.

○ 냉각 Kneader는 반죽물의 투입에서 냉각 후 반죽물의 배출까지의 시간은 측정결과 4분
이 소요되며 반죽물의 재투입까지는 4분이 소요되어 50[%]의 가동률을 보이고 있다.

○ 현재 평균 냉수 공급온도는 냉동기의 Loading 시 6.6[℃] 및 Unloading 시 5[℃]의 평균
온도로 5.8[℃]로 나타난다. 냉각 Kneader의 반죽물 투입 시 냉수의 환수 온도는 13.6[℃]
이며 냉각이 이루어지지 않는 경우에도 냉수의 환수온도는 9.2[℃]로 냉각 Kneader의 무
부하 운전 시에도 냉수를 통한 열손실이 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.

 

[그림 1] 냉각 Kneader 부하 시 및 무부하 시 환수온도 사진

 

 

○ 냉각 Kneader의 무부하 운전 시 발생하는 열손실 및 냉수 순환펌프의 전력손실을 계산
해 보면 다음과 같다.

 

 

- 냉수공급 평균온도 : 5.8[℃]
- 니더 부하율 : 50[%]
- 니더 무부하 시 냉수 환수 온도 : 9.2[℃]
- 니더 공급 펌프 유량 : 170[L/min]
- 전력 대비 냉동열량 : 1,900[kcal/kW](냉동기 정격 냉동열량 및 전력 대비)
- 펌프 소비전력 : 0.6[kW/h]
- 냉수 열손실
= 펌프 유량 × 1[kcal/kg℃] × (냉수공급온도-무부하 시 환수온도)[℃] × 연 가동시간[h]
× 니더부하율
- 무부하시 펌프 소비전력 = 펌프 소비전력[kW]×연 가동시간[h]×니더부하율

○ 위 계산결과를 살펴보면 냉각 Kneader 무부하 운전 시 손실전력은 연간 61,240.84[kWh/
년]인 것을 알 수 있다.

○ 당 사업장의 냉수 탱크 및 냉수배관의 표면온도를 측정한 결과 냉수탱크는 6.4[℃], 냉수
공급 배관은 5.4[℃], 냉수 환수 배관은 8.9[℃]로 측정되어 미보온으로 인한 표면의 방산
열량이 크다고 판단된다.

 

 

 

2. 개선 후

1) 개선방안

○ 당 사업장의 냉각 Kneader의 냉각 방식을 반죽물 투입 시에만 냉수를 공급하는 방식으
로 개선하여 냉수의 손실열량 및 냉수 순환펌프의 전력을 절감하고 냉수탱크, 냉수배관
의 보온을 통하여 손실열량을 절감하도록 한다.

 

[그림 4] 냉수공급 개선 간략 설명도

 

 

○ 위의 그림과 같이 반죽물 투입시에 PLC 판넬에서 신호를 받아 냉수펌프가 작동하여 냉
수를 공급하고 타이머가 작동하여 4분 후 냉수펌프 작동을 중지하여 냉수공급을 차단한
다. 실제 반죽물을 냉각하는 소요시간은 2분이 소요되지만 반죽물의 투입 및 배출 시에
먼저 냉수를 공급하여 냉각 스크류의 부하를 최소화 하도록 한다.

○ 이와 같이 냉각 Kneader의 반죽물 냉각 시에만 냉수펌프를 가동하였을 경우 앞서 문제
점에서 언급한 바와 같이 냉수 열손실 및 냉수펌프 전력을 연간 61,240.84[kWh/년] 절
감할 수 있다고 판단된다.

○ 또한 현재 미보온 되어 있는 냉수탱크 및 냉수배관을 보온하였을 경우 손실열량은 다음과 같다.

 

- 내표면 열전달율 : 5,950[kcal/㎡h℃]
- 외표면 열전달율 : 9.97[kcal/㎡h℃]
- Stain less 열전도율 : 14[kcal/mh℃]
- 보온재 열전도율 : 0.039[kcal/mh℃]
- 냉수탱크 두께 : 10[mm]
- 냉수배관 두께 : 3[mm]
- 냉수탱크 보온재 두께 : 25[mm]
- 냉수배관 보온재 두께 : 20[mm]
- 냉수탱크 단면적 : 4.37[㎡]
- 냉수배관 단면적 : 3.52[㎡]

 

- 보온 시 냉수탱크 열관류율
= (1/내표면열전달율) + (냉수탱크두께/Stain less열전도율) + (보온재 두께/보온재 열
전도율) + (1/외표면열전달율)
= (1/9.97[kcal/㎡h℃]) + (0.01[m]/14[kcal/mh℃]) + (0.025[m]/0.039[kcal/mh℃]) +
(1/5,950[kcal/㎡h℃])
= 0.7422[㎡h℃/kcal]
= 1.35 [kcal/㎡h℃]

- 보온 시 냉수배관 열관류율
= (1/내표면열전달율) + (냉수배관두께/Stain less열전도율) + (보온재 두께/보온재 열
전도율) + (1/외표면열전달율)
= (1/9.97[kcal/㎡h℃]) + (0.003[m]/14[kcal/mh℃]) + (0.02[m]/0.039[kcal/mh℃]) +
(1/5,950[kcal/㎡h℃])
= 0.6135[㎡h℃/kcal]
= 1.63 [kcal/㎡h℃]

- 보온 시 냉수탱크 손실열량
= 냉수탱크 열관류율[kcal/㎡h℃] × 냉수탱크 단면적[㎡] × (외부온도-내부온도)[℃]
- 보온 시 냉수배관 손실열량
= 냉수배관 열관류율[kcal/㎡h℃] × 냉수배관 단면적[㎡] × (외부온도-내부온도)[℃]

○ 위 계산결과와 같이 냉수탱크 및 냉수배관 보온 시 손실열량을 전력으로 환산한
○ 값은 연간 692.37[kWh/년]으로 현재 미보온으로 인하여 발생되고 있는 손실전력
○ 4,648.45[kWh/년]와 비교하여 연간 3,956.08[kWh/년]의 전력을 절감할 수 있다고 판단된다.

 

 

2) 기대효과

○ 계산기준
- 냉각 Kneader 냉각방식 개선 시 전력 절감량 (개선사항 참조)
= 61,240.84[kWh/년]
- 냉수 탱크 및 냉수배관 보온 시 전력절감량(개선사항 참조)
= 3,956.08[kWh/년]
- 전력 단가 : 81.87 [원/kWh]

○ 전력 절감량
= 냉각방식개선 시 전력절감량[kWh/년] + 보온 시 전력절감량[kWh/년]
= 61,240.84[kWh/년] + 3,956.08[kWh/년]
= 65,196.92 [kWh/년]
= 65.2 [MWh/년] × 0.215[toe/MWh]
= 14.02 [toe/년]
○ 전력 절감율
= (절감전력량[toe/년]÷ 2010년 전력사용량[toe/년])× 100[%]
= (14.02[toe/년]÷ 2,101.1[toe/년])× 100[%]
= 0.67 [%]
○ 전체 절감율
= (절감전력량[toe/년]÷ 2010년 에너지사용량[toe/년])× 100[%]
= (14.02[toe/년]÷ 2,279.6[toe/년])× 100[%]
= 0.62 [%]
○ 절감액
= 연간 전력절감량[kWh/년]× 전력단가[원/kWh]
= 65,196.92[kWh/년]× 81.87[원/kWh]
= 5.34 [백만원/년]

 

○ 투자비(합계 : 5.17 [백만원])

 

 

○ 투자 회수기간
= 총 투자비[백만원] ÷ 년간 총 절감액[백만원/년]
= 5.17[백만원] ÷ 5.34[백만원/년]
= 0.97[년]
○ 온실가스 저감량
= 전력절감량[MWh/년] × ((12/44) × 0.424)[tc/MWh]
= 65.2[MWh/년] × 0.1156[tc/MWh]
= 7.54 [tc/년]
○ 개선사례의 파급효과
- 에너지 절감으로 인한 원가절감
- 신기술 및 에너지절감에 대한 직원들의 의식 향상
 -제품의 경쟁력 강화
- 온실가스 배출 저감으로 인한 환경오염 방지

 

 

<기대효과 종합>

 

참고문헌
1. 한국에너지공단, 진단우수사례집, 2011년

 

 

 

EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼

 

 

 

 

 

 

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