냉각탑 설치

왜 배우는가: 냉각탑은 냉동기 응축기와 공조설비의 열을 외기로 버리는 최종 장치라서, 설비 설계와 시공의 기본이 된다. 옥상 설치와 하중, 진동 문제는 실무 현장에서 자주 부딪히는 쟁점이며, 시험에서도 설치 위치와 구조 안전을 묻는 문항으로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제124회 1교시 7번, 제94회 3교시 2번, 제91회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉각탑은 응축기 등에서 데워진 냉각수를 실외공기와 직접 접촉시켜 일부를 증발시키고, 그 증발잠열로 물을 냉각하는 열교환장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 냉각수
• 증발잠열
• 습구온도
• 충전재
• 송풍기(강제통풍)
• 향류형과 직교류형
• 비산(드리프트) 방지
• 옥상 설치와 하중

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 뜨거워진 물을 바람 속에 뿌려 물의 일부를 날려 보내고, 그때 빼앗긴 열로 나머지 물을 식히는 장치다. 정식으로는 냉동기 응축기의 냉각수를 재사용하기 위해 실외공기와 직접 접촉시켜 냉각하는 열교환장치를 말한다.

증발냉각은 물이 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 온도가 내려가는 현상이다. 냉각탑은 이 현상을 이용한다. 출구수온은 외기의 습구온도보다 낮아질 수 없으므로, 습구온도가 낮은 곳일수록 냉각 성능에 유리하다.

냉각범위는 입구수온과 출구수온의 차이다. 접근온도는 출구수온과 외기 습구온도의 차이다. 두 값이 냉각탑 성능을 판단하는 기본 지표다. 냉각범위가 크고 접근온도가 작을수록 성능이 좋다.

충전재는 물을 얇은 막이나 작은 방울로 펼쳐 공기와의 접촉 면적을 키우는 부품이다. 목재, 폴리에스테르 수지, 금속박판 등이 쓰인다. 충전재가 크면 냉각 효과는 커지지만 송풍기 동력과 압력손실도 함께 커진다. 엘리미네이터는 배기 공기에 섞여 날아가는 물방울을 걸러 내는 장치다.

열교환 방식에 따라 향류형과 직교류형으로 나눈다. 향류형은 공기가 수직으로 올라가고 물이 아래로 떨어지는 구조다. 직교류형은 공기가 물 흐름과 직각으로 통과하는 구조다. 통풍 방식에 따라서는 자연통풍식과 강제통풍식으로 나뉜다. 공조설비에는 송풍기를 쓰는 강제통풍식이 주로 쓰인다. 강제통풍식은 소형이고 성능이 좋으며 운전 안정성도 우수하다.

보통 유인 통풍형 냉각탑에서는 물을 1℃ 낮출 때 약 1℃ 냉각 시 증발 약 0.2%가 증발한다. 증발한 만큼의 물은 보충수로 채워야 하며, 물방울이 비산해 손실되는 양도 함께 보충해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

산업이 발전하고 에너지 사용이 늘면서 발생하는 열을 제거할 매체가 필요해졌다. 물은 구하기 쉽고 열을 많이 옮길 수 있어 냉각매체로 적합하다. 그러나 화력발전소나 화학공장처럼 냉각수 사용량이 큰 곳은 양질의 공업용수를 계속 공급받기 어렵다. 그래서 한 번 사용해 온도가 오른 물을 식혀 다시 쓰는 방식이 필요해졌다.

냉각탑은 19세기 산업화와 증기기관 응축기 개발과 함께 등장했다. 20세기 초에는 전력산업의 성장이 냉각탑 발전을 이끌었다. 토지가 넓은 곳에서는 냉각 연못 형태의 시스템이 쓰였고, 도시 지역에서는 건물 옥상에 설치하거나 단독 구조물로 세운 냉각탑이 쓰였다.

표에서 보듯 냉각탑의 설치 형태는 부지 조건과 냉각 용량에 따라 달라졌다. 도시에서는 부지가 부족해 옥상 설치가 늘었다. 그러나 옥상은 건물 구조가 냉각탑 하중을 견뎌야 한다는 전제가 필요하다.

삼풍백화점 붕괴 사고는 옥상에 설치된 냉각탑의 하중과 진동이 문제가 된 사례로 알려져 있다. 구조 검토 없이 설치된 냉각탑이 가동 중 건물 진동을 키운 것으로 전해진다. 이 사례는 옥상 설치 시 하중 계산과 방진 대책이 반드시 필요함을 보여준다.

4. 구성요소·원리·절차

냉각탑은 충전재에서 온수와 공기를 접촉시켜 물의 일부를 증발시키고, 이때 빼앗긴 증발잠열로 남은 물의 온도를 낮춘다. 주요 구성요소의 역할과 설치 시 유의점은 다음과 같다.

충전재를 지나며 공기 엔탈피가 증가하고 물의 온도가 떨어진다. 공기 엔탈피가 물 표면의 포화 엔탈피보다 낮을수록 증발이 활발해진다. 그래서 냉각탑 출구 수온은 입구 공기 습구온도보다 낮아질 수 없다. 출구 수온과 입구 습구온도의 차를 접근온도라 하고, 입구·출구 수온의 차를 냉각범위라 한다.

$R = T_{in} - T_{out}$

$A = T_{out} - T_{wb}$

여기서 R 은 냉각범위(K), A 는 접근온도(K), T_in 은 입구 수온(℃), T_out 은 출구 수온(℃), T_wb 는 입구 공기 습구온도(℃)다. 접근온도가 작을수록 충전재 면적과 송풍량이 커지므로 탑체가 커지고 송풍기 동력이 늘어난다.

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 입구 수온 37℃, 출구 수온 32℃, 입구 습구온도 27℃다. 냉각범위 R = 37 − 32 = 5K, 접근온도 A = 32 − 27 = 5K이다. 두 값 모두 상식 범위의 설계값이다. 물의 온도가 낮아지는 만큼 순환수량의 일부가 증발하며, 이만큼 보충수를 공급해야 한다.

설치 절차는 다음과 같다.

• 설치 위치를 정하고 배기가 흡입구로 되돌아오지 않도록 이격 거리를 확보한다.
• 운전 중량(충전재·보유수 포함)과 진동 하중을 구조 설계에 반영한다.
• 방진스프링 또는 방진패드를 설치하고 기초와 함께 지지 상태를 검토한다.
• 응축기 출구 온수 분배관, 보충수 배관, 블로우다운 배관을 연결한다.
• 시운전으로 송풍기 진동, 풍량, 수온 강하를 확인한 뒤 인수한다.

방진스프링은 송풍기와 탑체의 진동이 옥상 슬래브로 전달되는 것을 줄인다. 진동이 전달되면 건물 전체에 진동이 나타나 사용성과 구조 안전이 문제 된다. 실제 사고 사례에서도 냉각탑 가동 시 건물 진동이 문제가 된 바 있다. 따라서 방진 설계는 스프링 정적 처짐과 기초 강성을 함께 검토해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉각탑 설치는 구조, 설계 조건, 소음, 안전, 위생 기준을 함께 따른다. 주요 기준은 다음 표와 같다.

위 표의 설계 냉각수 조건은 설계자가 정하는 기준값이다. 기준 수치는 공사 조건과 기기 사양에 따라 달라지므로 설계 단계에서 확정한다.

건축구조기준은 옥상 설치 시 운전 하중을 설계하중으로 반영하도록 한다. 소음은 설치 위치의 경계선에서 규제기준을 만족해야 한다. 냉각수는 미생물 증식으로 인한 레지오넬라 감염을 막기 위해 세정과 살균을 정기적으로 시행한다.