냉각탑 성능·장해

왜 배우는가: 냉각탑은 건축기계설비 열원설비에서 냉동기 응축열을 대기로 방출하는 핵심 장치이며, 냉각탑 크기 결정 인자와 개방형 냉각수계 장해는 설계와 유지관리 양쪽에서 반복 출제된다. 실무에서는 습구온도·어프로치·냉각범위의 관계를 알아야 용량 산정과 성능 진단을 할 수 있다.

출제 이력: 제130회 4교시 3번, 제109회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉각탑(Cooling Tower)은 냉동기 응축기의 냉각수를 실외 공기와 직접 접촉시켜 일부 증발에 따른 증발잠열로 물을 냉각하는 열교환장치다.

냉각탑은 물의 일부 증발잠열을 이용해 냉각수를 냉각하는 장치다.

핵심 키워드

• 냉각탑(Cooling Tower)
• 습구온도(Wet-bulb Temperature)
• 어프로치(Approach)
• 냉각범위(Range)
• 향류형·직교류형
• 충전재(Fill)
• 블로우다운(Blowdown)
• 스케일·부식·미생물 오염

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉각탑은 뜨거워진 물을 공기에 뿌려 일부를 증발시키고, 그 증발에 필요한 열을 물에서 빼앗아 물 온도를 낮추는 장치다. 물이 식는 힘은 공기가 얼마나 건조한지에서 나온다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉각탑은 냉동기의 응축기에서 사용한 냉각수를 재사용하기 위해 실외공기와 직접 접촉시켜 물을 냉각하는 열교환장치이다. 열교환 방식에 따라 향류형과 직교류형으로 나누고, 통풍 방식에 따라 자연통풍식과 강제통풍식으로 나눈다. 공기조화설비에는 주로 강제통풍식이 쓰이며 내부에 충전재를 넣는 경우가 많다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 습구온도는 물을 뿌려 공기가 포화될 때까지 증발 냉각되는 온도로, 공기가 도달할 수 있는 가장 낮은 온도다. 어프로치는 냉각수 출구온도와 유입 공기의 습구온도 차이다. 냉각범위는 온수 입구온도와 냉각수 출구온도의 차이다. 세 값은 냉각탑 크기를 결정하는 기본 변수다.

충전재는 물과 공기의 접촉면적과 접촉시간을 늘려 열전달을 높인다. 필름형은 물을 얇은 막으로 펼치고, 스플래시형은 떨어지는 물줄기를 깨뜨려 흐름을 끊는다.

3. 등장 배경과 필요성

화력발전소나 화학공장은 다량의 냉각수가 필요하지만 양질의 공업용수를 대량으로 계속 공급하기 어렵다. 그래서 한 번 사용해 온도가 오른 물을 냉각해 재사용하는 방식이 필요해졌다. 냉각탑은 이 대규모 냉각을 맡는 설비다.

공기조화에서는 냉동기 응축기의 방열을 대기로 보내기 위해 냉각탑이 필수다. 물을 공기에 직접 접촉시키는 방식은 열교환기보다 간단하고, 증발을 이용하므로 외기 건조도에 따라 성능이 크게 달라진다. 그래서 설계 시 습구온도를 기준으로 삼는다.

증발 방식은 물을 계속 순환시키므로 농축과 오염 문제도 함께 생긴다. 순환수 중 불순물이 농축되어 스케일, 오염, 부식이 생기고, 이를 막기 위해 블로우다운과 약품 처리가 필요하다. 이 장해 관리가 개방형 냉각탑 설계와 운전의 핵심 과제가 된 배경이다.

습구온도 기준 설계 원칙은 냉각탑 성능을 외기 건구온도가 아니라 습구온도로 평가하는 이유가 된다.

증발 냉각에 의존하므로 냉각탑은 외기가 건조할수록 유리하다. 이는 여름철 습도가 낮을 때 냉각탑 효율이 올라가는 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

냉각탑은 응축기에서 올라온 온도 높은 냉각수를 외기와 직접 접촉시켜 일부를 증발시키고, 증발잠열로 나머지 물의 온도를 낮추는 장치다. 구성요소는 충전재, 살수장치, 송풍기, 집수조, 루버(비말 방지판)로 나뉜다. 각 부품은 물과 공기의 접촉 면적과 접촉 시간을 늘려 열전달 효율을 높이는 역할을 한다.

충전재 표는 충전물의 종류와 양이 냉각탑 성능을 좌우한다는 점을 보여 준다. 필름형은 물을 얇은 막으로 펴서 접촉 면적을 키우고, 스플래시형은 떨어지는 물줄기를 부숴 공기와의 접촉을 늘린다. 두 방식 모두 충전재 종류와 양에 따라 성능이 달라진다.

원리는 물의 증발잠열이다. 물 1kg이 증발하면 약 2,440kJ/kg(25℃ 기준)의 열이 대기로 빠져나간다. 증발량이 많을수록 남은 물의 온도는 낮아진다. 따라서 공기가 건조할수록, 즉 습구온도가 낮을수록 냉각 능력이 커진다.

냉각탑 냉각 능력은 공기의 습구온도와 증발잠열에 따라 결정된다

열수지식은 다음과 같다.

$Q = m_w \, c_p \, \Delta t = m_e \, h_{fg}$

Q는 냉각 열량(kW), m_w는 냉각수 유량(kg/s), c_p는 물의 비열(4.186kJ/kg·K), \Delta t는 냉각수 온도강하(℃), m_e는 증발수량(kg/s), h_{fg}는 증발잠열(kJ/kg)이다.

냉각탑 운전 절차는 다음과 같다.

• 응축기 출구의 온도 높은 냉각수를 냉각탑 상부 살수장치로 보낸다.
• 살수장치가 물을 충전재 전면에 고르게 뿌린다.
• 송풍기가 외기를 충전재 사이로 통과시킨다.
• 물과 공기가 접촉하며 일부가 증발하고 나머지 물의 온도가 내려간다.
• 냉각된 물이 집수조에 모이고 순환펌프가 응축기로 되돌려 보낸다.
• 증발과 블로우다운으로 줄어든 물은 보충수로 채운다.

흐름 방향은 향류형(공기와 물이 반대 방향)과 직교류형(공기가 물줄기를 직각으로 통과)으로 나뉜다. 향류형은 같은 크기에서 냉각 효율이 높고, 직교류형은 높이가 낮아 구조가 단순하다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉각탑의 설계는 주로 공조 설계 기준과 제조사 성능 기준을 따른다. 국내에서는 건축설비 설계기준과 공기조화·냉난방 설비 기준이 사용된다. 냉각탑 설치 자체는 건축물의 구조 안전과 연결된다. 삼풍백화점 붕괴 사고에서는 옥상에 설치한 냉각탑 3개의 하중(추가 하중 610kg/m²)을 구조 계산 없이 설치한 것이 원인으로 지적되었다. 옥상 설치 시 구조 검토가 필수라는 교훈이다.

아래 표는 냉각탑 설계·운전에서 쓰는 기준 수치를 정리한 것이다.