밀폐식 냉각탑

왜 배우는가: 밀폐식 냉각탑은 엔진 재킷이나 압축기 냉각처럼 수질을 보호해야 하는 설비에서 쓰이므로 실무 설계와 유지관리에서 자주 선택된다. 냉각탑 개념을 개방식과 대비해 묻는 문제에서 반복적으로 출제되는 항목이다.

출제 이력: 제138회 1교시 9번, 제135회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

밀폐식 냉각탑은 내부 유체를 밀폐 열교환기로 순환시키고 외부 살수와 통풍으로 간접 냉각하는 장치다.

답안 첫 줄은 이 정의로 시작한다. 이어서 개방식과의 차이, 즉 냉각 대상 유체가 대기와 직접 닿지 않는다는 점을 설명한다. 이 특징 때문에 엔진이나 압축기 냉각수처럼 오염을 막아야 하는 유체에 쓰인다.

핵심 키워드

• 밀폐식 냉각탑(Closed Circuit Cooling Tower)
• 유체냉각기(Fluid Cooler)
• 밀폐 열교환기(Closed Heat Exchanger)
• 간접 냉각(Indirect Cooling)
• 증발 냉각(Evaporative Cooling)
• 살수(Spray Water)
• 개방식 냉각탑(Open Circuit Cooling Tower)
• 유체 격리(Fluid Isolation)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 밀폐식 냉각탑은 안에 흐르는 물을 깨끗하게 두고, 바깥에서 물을 뿌려 식히는 냉각탑이다. 개방식 냉각탑은 순환수가 공기와 직접 만나 일부가 증발하면서 식는다. 이 방식은 순환수가 먼지와 미생물에 오염되고 스케일과 부식이 생기기 쉽다. 밀폐식은 열교환기 구조로 이 문제를 피한다.

정식으로는 밀폐식 냉각탑을 냉각 대상 유체가 밀폐된 코일이나 튜브 내부를 흐르고, 외부 표면에 깨끗한 물을 살수하여 송풍기 공기로 증발시키면서 내부 유체의 열을 간접적으로 제거하는 장치라고 정의한다. 이 장치를 유체냉각기라고도 부른다.

원리는 두 단계로 나뉜다. 첫째, 내부 유체의 열이 밀폐 열교환기의 금속 벽을 거쳐 외부 살수수에 전달된다. 둘째, 살수수가 공기와 접촉하여 일부 증발하면서 증발잠열을 흡수하고, 그 열이 대기로 방출된다. 이 과정에서 증발하는 것은 외부 살수수뿐이고 내부 유체의 조성은 변하지 않는다. 이것이 유체 격리의 의미다.

내부 유체는 외부 살수수의 증발열로 간접 냉각되며 성능은 대기 습구온도에 좌우된다.

구성 요소는 밀폐 열교환 코일, 살수 분배장치, 송풍기, 살수수 집수조로 나뉜다. 코일 표면에 물을 고르게 뿌려야 증발 면적이 확보되므로 살수 분배가 성능을 좌우한다. 송풍기는 강제로 공기를 흘려 증발을 촉진한다.

분류는 열교환 방식과 통풍 방식으로 나눈다. 열교환 방식으로는 향류형과 직교류형이 있고, 통풍 방식으로는 자연통풍식과 강제통풍식이 있다. 공기조화와 산업용 설비에서는 강제통풍식이 주로 쓰인다. 밀폐식의 열전달 성능은 개방식과 근접한다고 알려져 있다. 그 대신 내부 유체를 외부 환경과 오염으로부터 보호하는 이점이 있다.

3. 등장 배경과 필요성

냉각탑은 냉동기 응축기의 냉각수를 재사용하기 위해 발전했다. 화력발전소와 화학공장은 다량의 냉각수가 필요하지만, 양질의 공업용수를 계속 공급하기 어렵다. 그래서 사용하고 온도가 오른 물을 냉각하여 다시 쓰는 방식이 자리 잡았다. 이 과정에서 순환수에는 먼지, 가스 성분, 미생물이 쌓이고 열교환 표면에 스케일이 생긴다. 개방식 냉각탑의 순환수는 이 오염을 그대로 받는다.

엔진과 압축기의 재킷 냉각수는 청정도와 수질 안정성이 요구된다. 이 냉각수가 외부 공기나 이물과 섞이면 부식, 스케일, 생물 오염이 생기고 기관이 손상될 수 있다. 자동차 라디에이터도 엔진 냉각수를 밀폐된 회로로 순환시키며 열을 대기로 내보내는 열교환기다. 밀폐식 냉각탑은 같은 원리를 대형 설비에 적용한 것으로 볼 수 있다.

또한 냉각탑이 대형 건물과 산업 현장으로 넓어지면서 관리 부담을 줄이는 것이 중요해졌다. 밀폐식은 내부 유체를 닫힌 회로에 두므로 수질관리 대상이 살수수로 한정된다. 이는 유지관리 인력과 비용을 줄이는 효과로 이어진다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 내부 유체의 품질을 보호한다. 둘째, 열교환기 오염과 스케일에 따른 성능 저하를 줄인다. 셋째, 개방식으로 처리하기 어려운 밀폐 회로 설비에 열원을 공급한다.

4. 구성요소·원리·절차

밀폐식 냉각탑(Closed Circuit Cooling Tower)은 냉각할 유체를 밀폐된 코일 안으로 흘리고, 그 바깥면에 물을 뿌려 증발시키는 방식이다. 냉각수 자체가 외부 공기에 노출되지 않으므로 오염과 부식 위험이 적다. 엔진이나 압축기의 재킷 냉각수처럼 청정도가 중요한 유체를 냉각할 때 쓴다.

구성요소는 다음과 같다.

표의 구성요소는 살수수와 피냉각 유체가 서로 섞이지 않는다는 점에서 개방형 냉각탑과 구분된다. 열 전달은 두 단계로 이루어진다. 먼저 코일 내부의 피냉각 유체가 코일 벽을 통해 살수막으로 열을 전달한다. 이어서 살수막의 물이 공기와 접촉해 증발하면서 증발잠열로 열을 방출한다. 따라서 냉각 성능은 대기의 습구온도에 강하게 의존한다.

원리는 증발냉각과 현열 전달이 함께 일어나는 것이다. 살수막이 공기 중으로 증발할 때 잠열을 빼앗아 코일 표면 온도를 낮춘다. 이 표면 온도가 코일 내부 유체의 온도를 끌어내린다. 살수막의 증발량은 공기 유량과 습구온도차에 비례하므로 송풍량을 늘리면 냉각 능력이 커진다.

절차는 다음 순서로 진행된다.

• 피냉각 유체(엔진 재킷수·압축기 오일 냉각수 등)가 코일 입구로 들어와 열을 방출한다.
• 순환펌프가 살수수를 살수장치로 보내 코일 표면에 균일하게 뿌린다.
• 송풍기가 외기를 흡입해 코일 표면과 접촉시킨다.
• 살수막의 일부가 증발하고 나머지는 수조로 떨어져 다시 순환한다.
• 증발로 줄어든 수량은 보충수로 채우고, 농축을 막기 위해 블로우다운을 한다.

계산 예제로 증발수량을 확인한다. 냉각 열량을 Q(kW), 증발잠열을 h_{fg}(물성표에서 구한 값), 증발수량을 m_w(kg/s)라 하면 다음과 같다.

$m_w = \frac{Q}{h_{fg}}$

Q와 h_{fg}가 주어지면 m_w는 이 식으로 구한다. 값은 설비 규모와 운전 조건에 따라 달라진다.

밀폐식 냉각탑은 피냉각 유체를 코일 안에 격리해 오염을 막으면서 살수 증발로 냉각한다.

5. 관련 법령·기준·표준

밀폐식 냉각탑은 개방식과 같이 「에너지이용 합리화법」의 효율관리 대상이나 「산업안전보건」 관련 설비 기준을 따를 수 있다.

표의 값 중 확인된 수치는 없으므로 핵심은 원리와 관리 기준이다. 설계 시에는 습구온도 기준 접근온도 같은 조건을 명확히 두어야 한다.

핵심어로 증발잠열, 살수막, 습구온도를 본문에 둔다. 이 세 용어는 개방식과 비교할 때 기준이 되는 개념이다.

관련 기준은 「에너지이용 합리화법」과 설계 시방서에서 정해지며, 현장 적용 시에는 제조사 사양과 함께 검토한다.

6. 유형과 비교

밀폐식 냉각탑은 냉각되는 유체가 외기와 직접 접촉하는지에 따라 개방식과 나뉜다. 열전달 방식을 기준으로 보면 밀폐식 냉각탑(Closed Circuit Cooling Tower)은 냉각수를 전열관 내부로 순환시키고 외부에서 물을 살포해 전열관 표면에서 증발 잠열을 이용하는 형식이다. 개방식은 냉각수 자체가 공기와 직접 접촉해 일부가 증발한다.