냉각탑의 성능요소


습구온도(Wet-Bulb Temperature) : 증발식 냉각탑 설계의 기본요소는 유입되는 공기의 습구온도이다.  습구온도는 젖은 헝겊으로 싸여진 수은구(球)에 공기를 유동시켜 측정한다.  설계 입구공기 습구온도는 냉각탑이 설치될 현장의 것이어야 하며, 최대부하에서 최적의 냉각수를 얻을 수 있도록 선정되어야 한다.  현장에서 가까운 지역의 기상청 실측자료로부터 시스템의 중요성, 현장여건 특히 재순환에 따른 보정, 간섭 등의 요소를 참조하여 결정한다.


 


건구온도와 상대습도(Dry-Bulb Temperature & Relative Humidity) :
자연통풍식, 드라이쿨러, 백연방지형에서는 반드시 필요하고 증발형 냉각탑에 있어서 증발의 절대비율을 알고자 할 때 필요하다.  설계조건의 선정개념은 습구온도의 경우와 동일하며 항상 설계조건으로 설정할 것을 권장함.


● 열부하(Heat Load) : 실제적인 열부하는 자체는 시스템에서 부과되며 온도조건이 같다면 냉각탑의 크기와 비용은 열부하에 비례한다. 그러므로 정확한 열부하의 결정이 이루어지는 것은 기본적으로 중요한 일이다.





 

 














순환수량, 입출구수온차(Range), 어프로치(Approach) : 동일한 열부하는 순환수량과 입출구수온차의 무한조합으로 이루어지며 다음의 식과 같다.


열부하(kcal/h) = 순환수량(m3/h) * 입출구수온차 (℃ 입구수온-출구수온) * 밀도(=1000 kg/m3) * 비열(=1 kcal/kg.℃)


어프로치(Approach, 냉각된 물의 온도, 즉 출구수온과 입구공기 습구온도의 차이)는 냉각탑 크기에 지대한 영향을 미친다.  어프로치가 작아짐에 따라 냉각탑 크기는 기하급수적으로 커지게 된다.  어프로치가 2.8 ℃ 보다 작아지면 냉각탑의 성능을 보증할 수 없다.  순환수량과 입출구수온차는 동일한 열부하를 처리하기 위해서 무한조합으로 이루어질 수 있으나 순환수량을 줄이고 입출구수온차를 크게 하면 냉각탑의 크기와 냉각수 펌프와 라인을 줄이게 된다.



간섭 효과(Interference) : 냉각탑 상류의 열원은 흡입공기의 습구온도를 높여 냉각탑 성능저하로 나타난다.  새로운 냉각탑의 설치장소는 이미 설치되어있는 탑의 바람이 불어가는 쪽을 피하고 열 배기구와는 간격을 유지해야 한다.  대용량 냉각탑의 경우, 백 미터 정도의 이격거리에도 불구하고 1.5℃정도의 습구온도 상승을 가져오기도 한다.



재순환(Recirculation) : 입구공기습구온도는 탑에서 배출된 공기의 일부가 다시 탑의 흡입구로 들어오는 것에 의해 영향을 받을 수 있다.  재순환의 가능성은 기본적으로 바람의 힘과 방향과 관련이 있으며 바람의 속도 증가와 비례하여 증가하는 경향이 있다.  재순환의 기본적 요인은 바람이지만 옥상 파라핏이나 팬스등의 장애물이 주요한 성능저하 역할을 하게 되며 냉각탑의 모양이나 방향 결정에 따라서도 재순환의 크기가 달라진다.  탑보다 높은 장애물은 피하고 탑의 좁은 면이 바람의 방향과 마주하도록 배치를 한다.

냉각탑의 배출공기 속도가 빠를수록 재순환은 줄어든다.  압송식이 경우 느린 배출속도로 재순환이 상당하다.  팬실린더의 높이가 높을수록, 간격이 클수록 재순환은 줄어든다.


 


 

 



● 공기유동제한 : 팬스등의 장애물은 탑과 적정한 거리를 유지하고 냉각탑 흡입면적 만큼의 장애가 없는 흡입면적을 탑 흡입구 맞은편에 두어 공기유동에 제한이 없도록 한다.


    
  
 

      [장애물 영향 : Velocity distributions of air]


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냉각탑의 기능

냉각탑은 냉각수로 사용되어 데워진 물을 공기로 냉각하여 재사용시키는 비교적 단순한 기능의 열교환기이다.  물의 증발잠열을 이용하며 99%의 냉각수를 회수하는 수절약기기인 동시에 하천의 온도상승을 막는 환경자원보호기기이다.  공조시스템에서 냉방열의 흐름은 실내열부하가 중앙식공기조화기->냉수펌프라인->냉동기->냉각수펌프라인을 거쳐 냉각탑에서 대기로 최종 배출한다.  인체에 비유하면 피부 열배출 또는 배변기능과 같아서 냉각탑 열배출기능의 성능은 열부하 흐름상의 모든 공조기기 에너지 소모와 직결되어 최대 에너지 절약기기로 볼 수 있다.



냉각탑의 특징

냉각탑은 여러 공조기기에 비하여 구분되는 특징을 상당히 가지고 있다.  시장과 기술, 사용자의 인식이나 역사성과도 연관되어 있다.


1. 냉각매체가 공기이나 대기이다 : 대기는 항상 변화하여 열교환기 측면에서 불안정하다.  대기의 온도, 습도, 압력, 풍속, 풍향 및 기후를 포함한 공기가 냉각매체가 되어 열해석이 되어야 한다.  또한 대기오염성분은 그대로 냉각수에 반영되므로 수질문제가 발생한다.


2. 냉각탑은 실외에 노출되어 설치한다 : 설치위치는 대부분 건물의 옥상이나 주변의 지상이

된다.  부피는 크고 일반인에게 노출되므로 외관미를 고려해야하며 건축물과도 조화되어야 한다.  건축가는 스카이라인의 외관을 고려하거나 다른 사유로 펜스 등 냉각성능을 저하시키는 공기유동 장애물을 냉각탑 주변에 건설하므로 현장별로 동일하지 않은 문제가 발생하고 설계조건이 달라진다.  또한, 지진, 풍압에 견디는 구조설계와 내후성을 만족해야 한다.


3. 물의 증발잠열을 이용한다 : 대기온도보다 더 낮은 냉각수온을 얻는 원천기술이나 증발량만큼 물을 계속 보급해야 한다.  증발잠열의 이용기술은 시험과 현장적용에 기초를 두어야 하므로 역사적으로 업계를 통해서만 발전해왔다.


4. 안전.민원.환경오염의 문제 : 기본적으로 수절약기기, 생태계보호기기, 에너지절약기기이면서 냉각탑은 다양한 문제를 수반한다.

  안전 - 화재, 낙사사고, 레지오넬라병, 일반인 접근사고, 팬파손사고, 결빙, 붕괴

  민원 - 소음, 비산, 백연

  기타 - 진동, 스케일, 부식, 외관


5. 기술적 특징 : 냉각탑은 다양한 용도로 사용되고 발전해왔다.  냉동공조 외에 제철, 발전, 석유, 화학, 전자, 가스, 식품, 제지 등의 산업분야에서 공정수 또는 기기냉각용으로 대형의 현장설치형이 건설되어 왔으나 냉동공조분야의 대형화에 따라 용도구분이 사라지고 냉각탑 형식선택이 다양해졌으며 기술적용의 폭이 넓어졌다.

한편, 냉각탑은 구조와 기능이 단순하고 육안으로 확인 가능한 형상으로 구성되어 복제가 용이하여 자본과 기술축적 없이도 손쉽게 제조에 참여하고 실패를 반복한다.  성능시험규격이 단체규격으로 제정되었으나 시험과 판정이 쉽지 않아 성능확인이 일반화 되었다고 볼 수 없다.  큰 부피에 낮은 단가, 용이한 제조상황에 반해 제품.기술의 개발에는 상당한 시간.비용이 필요하며 특허분쟁과 치열한 가격경쟁구조에서 적용기술도 축적해야한다.


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