냉각탑

왜 배우는가: 냉각탑은 공조냉동기계 열원설비에서 응축기 냉각수를 외기로 방열시키는 핵심 장치라서, 냉동기 성능과 에너지 효율을 좌우한다. 시험에서는 종류·접근온도·냉각범위 같은 용어 정의와 통풍방식 비교가 여러 교시에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 2교시 4번, 제116회 3교시 5번, 제114회 1교시 3번, 제102회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

냉각탑은 응축기 등에서 데워진 냉각수를 외기 공기와 직접 접촉시켜 증발과 현열 교환으로 냉각한 뒤 재순환시키는 열교환 장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 냉각수
• 증발냉각
• 충전재
• 강제통풍
• 자연통풍
• 향류형
• 직교류형
• 접근온도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 냉각탑은 뜨거워진 물을 공기에 뿌려 일부를 증발시키고 남은 물을 식혀 다시 쓰는 설비다. 냉동기 응축기는 냉매의 열을 냉각수에 넘기는데, 이 냉각수를 계속 쓰려면 열을 버릴 곳이 필요하다. 냉각탑은 그 열을 외기로 내보낸다.

정식 정의는 다음과 같다. 냉각탑(Cooling Tower)은 냉동기의 응축기에 사용하는 냉각용수를 재차 사용하기 위하여 실외공기와 직접 접속시켜 이 물을 냉각하는 일종의 열교환장치다. 즉 물과 공기가 직접 접촉하는 직접 접촉식 열교환기다.

냉각 원리는 두 가지 열전달이 함께 일어나는 것이다. 첫째는 공기와 물 사이의 온도차에 의한 현열 전달이다. 둘째는 물의 일부가 증발하며 빼앗는 잠열 전달이다. 공조용 냉각탑에서는 증발에 의한 잠열 전달이 냉각 효과의 대부분을 차지한다.

냉각탑 성능을 가르는 기준 개념은 습구온도다. 습구 온도는 물의 증발만으로 도달할 수 있는 가장 낮은 온도이므로, 냉각탑 출구수 온도는 이론적으로 외기 습구온도 이하로 내려갈 수 없다. 이 점이 접근온도(Approach) 개념의 출발점이다.

향류형은 물이 아래로 떨어지는 동안 공기가 위로 올라가는 구조다. 직교류형은 공기가 물 흐름을 옆에서 수평으로 가로지르는 구조다. 두 방식의 차이는 충전재를 지나는 공기와 물의 접촉 경로에 있다.

충전재(Fill)는 물을 얇은 막이나 작은 방울로 펼쳐 공기와의 접촉 면적을 넓히는 부품이다. 충전재 재료로는 목재, 대나무, 염화비닐, 폴리에스테르 수지, 금속박판, 석면판, 도기관 등이 쓰였다.

3. 등장 배경과 필요성

화력발전소나 화학공장은 다량의 냉각수를 필요로 한다. 양질의 공업용수를 대량으로 계속 공급하기는 어렵기 때문에, 한 번 쓰고 데워진 물을 식혀 다시 쓰는 방식이 필요했다. 이때 대규모 냉각을 맡는 설비가 냉각탑이다.

공조용으로도 냉각탑이 필요해졌다. 냉동기 응축기는 냉매 열을 버리기 위해 냉각수가 필요하고, 냉각수를 강하수나 하천수로 버리면 취수와 배수 부담이 크다. 냉각탑은 물을 순환시키면서 열만 외기로 내보내므로 수자원 사용량을 크게 줄인다.

또한 외기 조건에 따라 냉각 성능이 달라진다. 외기 습도가 높으면 증발이 잘 일어나지 않아 냉각 성능이 떨어지고, 건조한 공기에서는 같은 물을 더 낮게 식힐 수 있다. 따라서 냉각탑은 외기 습구온도와 냉각수 부하를 함께 고려해 선정하고 설계해야 하는 설비다.