백연방지 냉각탑

왜 배우는가: 백연방지 냉각탑은 냉각탑 배출 공기의 수증기가 외기에 응결해 생기는 백연과 결빙·안개 피해를 줄이는 방식으로, 한랭·다습 지역이나 도심 인접 설비에서 요구된다. 시험에서는 백연 저감 방식의 종류와 구조를 비교하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 3교시 2번, 제125회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

백연방지 냉각탑은 배출 공기의 수증기가 외기에서 응결하여 생기는 백연을 줄이도록 건식 열교환부를 추가한 냉각탑이다.

핵심 키워드

• 백연(Plume)
• 습건식 냉각탑
• 히팅 코일(Heating Coil)
• 병렬히팅 코일 방식
• 직렬히팅 코일 방식
• 습건식 일체형식
• 노점온도(Dew Point)
• 현열 가열

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 냉각탑은 냉각수를 공기와 직접 접촉시켜 식히는 장치다. 이때 물이 증발하면서 나온 수증기가 찬 외기와 만나면 하얀 안개처럼 보인다. 이 현상이 백연이다. 백연은 수증기 자체가 보이는 것이 아니라, 수증기가 응결하여 생긴 미세한 물방울이 빛을 산란시키기 때문에 보이는 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉각탑 배출 공기가 외기 온도보다 높아 포화 상태에 가까울 때, 배출 공기 속 수증기가 냉각되어 응축하면서 생긴 물방울 군집이 백연이다. 백연방지 냉각탑은 이 배출 공기를 건식 열교환부에서 먼저 가열하거나 냉각하여 상대습도를 낮추고, 혼합 후 노점 이하로 떨어지지 않도록 설계한 장치다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

습식 냉각탑은 충전재에서 냉각수와 공기가 직접 접촉하여 증발 냉각하는 방식이다. 배출 공기는 포화 상태에 가까워 백연이 쉽게 생긴다.

건식 냉각부는 핀튜브 코일 안으로 냉각수를 통과시키고, 외부 공기와 현열만 교환하는 부분이다. 물이 직접 공기와 닿지 않으므로 수증기가 추가로 발생하지 않는다.

히팅 코일은 배출 공기나 혼합 공기를 가열하는 코일이다. 가열된 공기는 상대습도가 낮아져 응결이 줄어든다.

백연 방지의 원리는 응결 조건을 깨는 것이다. 배출 공기의 절대습도는 그대로 두고 온도를 올리면 포화도가 떨어져 응결이 억제된다. 또는 배출 공기를 외기와 섞기 전에 가열하여 혼합 후 상태가 노점 이하가 되지 않도록 한다.

3. 등장 배경과 필요성

일반 냉각탑은 충전재 내부에서 물을 증발시켜 냉각하므로, 배출 공기는 거의 포화 상태로 나온다. 외기 온도가 낮으면 이 공기가 식으면서 응결한다. 그 결과 냉각탑 상부에 흰 기둥 모양의 백연이 생긴다.

백연은 여러 문제를 일으킨다. 첫째, 주변 도로나 건물 주변에 안개와 결빙을 만들어 안전 문제가 된다. 둘째, 도심이나 공항 인근에서는 시각 장애와 민원을 일으킨다. 셋째, 겨울철 외기 온도가 매우 낮은 지역에서는 백연이 지표 근처에 머물러 주변을 얼게 한다.

이 때문에 도심 인접 건물, 한랭·다습 지역의 설비, 시각적 민원이 큰 현장에서는 백연 저감형 냉각탑이 필요하다. 백연은 냉각탑 성능 저하와는 다르지만, 설계 단계에서 함께 검토해야 하는 항목이다.

설계 측면에서 백연은 외기 건구온도와 상대습도, 배출 공기 상태로 결정된다. 외기가 차고 습할수록 백연 길이가 길어진다. 따라서 백연 방지 여부는 설치 지역의 겨울철 기상 조건에 따라 판단한다.

4. 구성요소·원리·절차

백연방지 냉각탑은 일반 냉각탑에서 나온 포화 습공기(플륨, plume)가 외기에 닿아 응축하면서 하얀 안개처럼 보이는 현상을 줄이기 위해 만든 설비다. 플륨은 증발된 수증기가 차가운 외기와 만나 미세한 물방울로 응결되어 생긴다. 물방울 자체는 빛을 산란시켜 가시화되므로, 백연을 줄이려면 배출 공기를 외기 온도 이상으로 다시 데워 포화 상태를 벗어나게 하거나, 수증기가 응축하기 전에 열을 빼앗는 건식 구간을 두는 방식을 쓴다.

백연방지 냉각탑의 핵심 구성요소는 다음과 같다.

가열 코일은 온수 또는 증기를 열원으로 쓴다. 코일을 통과한 공기는 온도가 올라가 상대습도가 떨어지고, 배출 시점에서 외기와 만나도 응축이 일어나기 어려워진다. 열원은 냉각탑 순환수가 아닌 별도 열원(응축기 배열, 증기, 온수 등)을 쓰는 경우가 많다.

원리: 플륨이 보이지 않으려면 배출 공기의 혼합 상태가 외기 노점온도 아래로 떨어지지 않아야 한다. 히팅 코일로 배출 공기 온도를 올리면 수증기 분압에 대한 포화 여유가 생겨 응축이 억제된다. 건식 구간은 순환수 열을 공기 중 현열로 옮겨 배출 공기의 수분 함량을 줄인다.

절차

• 외기 온도·습도와 냉각탑 배출 공기 상태(온도, 상대습도)를 산정한다.
• 배출 공기가 외기 노점온도 이상이 되도록 가열 열량을 계산한다.
• 병렬 또는 직렬 히팅 코일 방식 중 열원 조건에 맞는 방식을 선정한다.
• 습건식 일체형이면 건식 구간의 전열면적과 순환수 유량을 정한다.
• 팬 동력과 가열 열량을 합쳐 운전비를 검토하고 제어 방식을 정한다.

계산 예제: 외기 온도 5℃, 상대습도 60% 조건에서 배출 공기 노점은 약 0℃ 근처다. 배출 공기가 30℃ 이상으로 포화되어 나오면 외기와 혼합 시 응축이 생긴다. 가열 열량은 Q = \dot m_a (h_2 - h_1) 으로 구하며, \dot m_a 는 공기 질량유량(kg/s), h 는 엔탈피(kJ/kg)다. 결과가 수 백 kW 규모면 대형 설비 조건으로 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

백연방지 냉각탑은 공조냉동 설계에서 정한 냉각탑 설계 기준과 제조사 성능 보증 조건을 따른다. 일반적 기준은 다음과 같다.

기준 수치는 제조사 설계 조건과 설계 외기 조건에 따라 달라진다. 외기 노점 이상 유지가 핵심 기준이며, 히팅 코일 용량은 이 조건에서 역산한다.

6. 유형과 비교

백연 방지 냉각탑은 배출되는 포화 배기공기를 얼마나 가열하느냐에 따라 방식이 나뉜다. 외부 열원으로 배기공기를 가열하는 방식과, 상부에 건식 열교환부를 두어 배기공기를 현열로 가열하는 방식이 있다. 아래 표는 세 가지 감소 방식을 비교한 것이다.

병렬 방식은 온수 유량을 코일 쪽으로 나눠 보내므로 가열량을 제어하기 쉽다. 다만 코일별 유량이 줄어 가열 효율은 직렬 방식보다 낮다. 직렬 방식은 같은 온수가 코일을 차례로 지나므로 온수 열을 더 많이 쓴다. 대신 코일 수가 늘수록 온수 압력손실 증가가 따르므로 펌프 용량을 함께 검토해야 한다.