개방형·밀폐형 냉각탑

왜 배우는가: 냉각탑은 공조용 냉동기와 발전·산업 설비의 응축 열을 외기로 버리는 핵심 열원 기기이며, 개방형과 밀폐형의 구조·원리 차이는 설계와 유지관리 판단의 기초가 되므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제115회 3교시 6번, 제108회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

냉각탑은 온수를 공기와 직접 또는 간접 접촉시켜 물의 일부 증발로 열을 빼앗아 냉각하는 열교환 장치다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 개방형 냉각탑(Open Circuit Cooling Tower)
• 밀폐형 냉각탑(Closed Circuit Cooling Tower)
• 증발잠열(Latent Heat of Evaporation)
• 현열 냉각(Sensible Cooling)
• 충전재(Fill)
• 직교류형(Crossflow)과 대향류형(Counterflow)
• 습구온도(Wet-bulb Temperature)
• 접근온도(Approach)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉각탑은 뜨거워진 물을 바람에 흩뿌려 일부를 증발시키고, 그 증발열만큼 나머지 물의 온도를 낮추는 장치다. 여름철 선풍기 앞에서 땀이 마르며 시원해지는 것과 같은 원리다.

정식 정의는 냉동기 응축기에서 데워진 냉각수를 외기 공기와 접촉시켜 재사용 가능한 온도로 낮추는 장치다. 냉각수를 대기 공기와 직접 접촉시키는지에 따라 개방형과 밀폐형으로 나뉜다.

개방형 냉각탑은 냉각수가 공기와 직접 접촉하는 방식이다. 물이 충전재를 흘러내리며 일부 증발하고, 나머지 물은 수조에 모인다. 냉각수 자체가 외기에 노출되므로 수질 관리가 필요하다.

밀폐형 냉각탑은 냉각 대상 유체가 코일 같은 밀폐 배관 안을 흐르고, 그 배관 바깥에 물을 뿌려 증발시키는 방식이다. 냉각 대상 유체는 공기와 직접 닿지 않으므로 오염이 적다.

냉각 원리는 두 가지 작용으로 설명된다. 하나는 물과 공기의 온도차에 의한 현열 전달이고, 다른 하나는 물이 증발하면서 흡수하는 잠열이다. 실제 냉각에서는 증발잠열 작용이 지배적이다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동기의 응축열을 버리려면 대량의 냉각수가 필요하다. 하천수나 지하수만으로는 수자원 제약과 수온 상승 문제가 생긴다. 그래서 같은 물을 순환시켜 쓰는 장치가 필요해졌다.

화력 발전소나 화학 공장처럼 다량의 냉각수가 필요한 설비에서는 물을 한 번 쓰고 버리기 어렵다. 냉각탑은 이 물을 외기로 식혀 재순환시키므로 수자원 절약 장치 역할을 한다.

공조 설비에서는 수냉식 냉동기를 쓰면서 냉각탑이 필수 구성이 되었다. 공랭식 응축기보다 응축온도를 낮게 유지할 수 있어 냉동기 성적계수 확보에 유리하다.

출구수온은 외기 습구온도보다 낮게 내릴 수 없다는 점이 냉각탑의 근본 한계다. 그래서 설계에서 출구수온을 습구온도보다 3~4℃ 정도 높게 잡는 것이 일반적이다.

4. 구성요소·원리·절차

냉각탑은 냉각 원리와 구성요소가 함께 설계를 결정한다. 개방형은 물과 공기가 직접 접촉하여 일부 물이 증발하면서 나머지 물의 온도를 낮춘다. 밀폐형은 냉각수가 코일 내부를 흐르고, 코일 바깥면에 뿌린 살수가 증발하면서 내부 유체를 간접적으로 냉각한다.

개방형 냉각탑의 주요 구성요소는 다음과 같다.

개방형의 냉각 원리는 증발잠열과 현열의 합이다. 물 1kg이 증발하면 약 539kcal의 열을 빼앗는다. 증발잠열에 의한 냉각이 약 75%, 현열 냉각이 약 25%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 따라서 물의 체류시간을 늘리고, 접촉 표면적을 키우며, 풍량을 확보하는 것이 설계의 핵심이다.

냉각탑 출구수온은 외기 습구온도보다 낮게 할 수 없다. 출구수온은 습구온도에 가까울수록 장치가 커지므로 보통 습구온도보다 3~4℃ 높게 설계한다.

밀폐형 냉각탑의 구성요소는 다음과 같다.

절차는 다음 순서로 진행된다.

• 응축기에서 온도가 올라간 냉각수가 냉각탑 상부 분배장치로 공급된다.
• 살수장치가 물을 충전재 또는 코일 외면에 균일하게 분사한다.
• 송풍기가 외기를 흡입하여 물과 접촉시킨다.
• 일부 물이 증발하면서 잠열을 빼앗아 남은 물의 온도가 내려간다.
• 냉각된 물은 냉수조에 모여 순환펌프로 응축기에 재공급된다.
• 증발한 수증기는 엘리미네이터를 거쳐 외부로 배출된다.

대향류형은 공기가 아래에서 위로 흐르고, 직교류형은 공기가 수평으로 흐른다. 두 형식 모두 원리는 같고 공기 흐름 방향만 다르다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉각탑의 설계와 설치는 주로 건축설비 설계기준과 제조사 성능 기준을 따른다. 국내 설계에서 자주 쓰는 기준 값은 다음과 같다.

설계 기준은 기계설비 설계 지침과 제조사 카탈로그에서 확인한 값을 기준으로 한다. 보일러와 냉동기의 설치 안전은 산업안전보건기준에 관한 규칙과 건축물의 기계설비 설치기준을 따른다.

개방형과 밀폐형의 설치 차이는 다음과 같다.

개방형은 설치 비용이 낮고 열효율이 높다. 밀폐형은 수질 관리 부담이 적고 내부 유체를 보호할 수 있다. 설계 시 두 형식의 장단점을 함께 비교해야 한다.

개정 연혁과 최신 기준은 규정 개정 이력을 함께 확인하여 반영한다.

6. 유형과 비교

냉각탑은 공기와 물의 접촉 방식에 따라 개방형(개방순환형)과 밀폐형(밀폐순환형)으로 나뉜다. 개방형은 충진재(Fill) 위로 냉각수를 뿌려 외기와 직접 접촉시키는 방식이다. 밀폐형은 코일 내부로 흐르는 유체를 외부에서 흘러내리는 물과 공기로 간접 냉각하는 방식이다.