냉각탑 성능지표

왜 배우는가: 냉각탑 성능지표(쿨링 레인지, 쿨링 어프로치, 냉각효율, 공칭능력)는 공조냉동 설계와 운전 성능 판정의 기본 언어다. 냉각수 온도가 응축기 성능과 냉동기 COP를 좌우하기 때문에 실무에서 매일 확인하는 값이다. 세 회차 모두 같은 성능지표를 묻는 만큼 시험에서 반복해 나온다.

출제 이력: 제134회 1교시 3번, 제128회 3교시 5번, 제98회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉각탑 성능지표는 입구 냉각수 온도(HWT)와 출구 냉각수 온도(CWT)의 차인 쿨링 레인지와, 출구 냉각수 온도와 입구 공기 습구온도의 차인 쿨링 어프로치로 나타낸다.

핵심 키워드

• 쿨링 레인지(Cooling Range)
• 쿨링 어프로치(Cooling Approach)
• 습구온도(Wet-bulb Temperature, WBT)
• 냉각효율(Cooling Efficiency)
• 공칭능력(Nominal Capacity)
• 증발냉각(Evaporative Cooling)
• 향류형(Counter Flow)
• 직교류형(Cross Flow)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 냉각탑은 응축기에서 데워진 냉각수를 공기와 접촉시켜 식혀 다시 쓰게 하는 장치다. 물의 일부가 증발하면서 남은 물의 온도가 내려간다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉각탑은 냉동기의 응축기에 사용하는 냉각용수를 재차 사용하기 위하여 실외공기와 직접 접촉시켜 이 물을 냉각하는 열교환장치다.

쿨링 레인지(Cooling Range) 는 냉각탑에 들어오는 온수 온도와 냉각 후 나오는 냉수 온도의 차다. 식은 \text{Range} = HWT - CWT (단위 ℃) 로 구한다. 냉각탑이 물을 얼마나 식혔는지를 나타내며, 응축기 부하와 냉각수량으로 정해진다.

쿨링 어프로치(Cooling Approach) 는 냉각탑 출구 냉수 온도와 입구 공기의 습구온도의 차다. 식은 \text{Approach} = CWT - WBT (단위 ℃) 다. 습구온도는 물의 증발만으로 도달할 수 있는 가장 낮은 온도이므로, 어프로치는 냉각탑이 이론상 한계에 얼마나 가까운지를 나타낸다.

냉각효율(Cooling Efficiency) 은 실제 냉각된 온도차를 이론상 냉각 가능한 최대 온도차로 나눈 값이다. 식은 \eta = \dfrac{HWT - CWT}{HWT - WBT} \times 100\% 이며, 레인지와 어프로치를 이용하면 \eta = \dfrac{\text{Range}}{\text{Range} + \text{Approach}} \times 100\% 로 쓸 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동기의 응축기는 냉매의 응축열을 냉각수로 버린다. 상수나 공업용수를 대량으로 계속 공급하기 어렵기 때문에 물을 순환시켜 재사용하는 방식이 필요해졌다. 이때 물을 식히는 장치가 냉각탑이다.

냉각수 온도는 응축온도를 결정한다. 냉각수 온도가 높아지면 응축압력이 올라가고 압축기 소요동력이 증가하여 COP가 떨어진다. 따라서 냉각탑이 목표 온도까지 물을 식히는 능력을 수치로 표현할 필요가 생겼고, 그 수치가 레인지와 어프로치다.

습구온도는 외기 조건이 같아도 공기의 상대습도에 따라 달라진다. 그래서 냉각탑 성능을 건구온도가 아니라 습구온도 기준으로 평가한다. 어프로치가 작을수록 냉각탑 능력은 좋지만, 같은 크기의 탑에서 어프로치를 줄이는 데에는 한계가 있다.