Cooling tower 개요와 종류

냉갑탑의 개요와 종류

Cooling Tower는 우리말로 냉각탑이라고 호칭합니다. 냉각이란 특정물질의 온도를 낮추는 것을 말합니다. 냉각탑은 공정에서 발생하는 고온 물질의 열 에너지를 낮추는 장치류로써 화학공장, 발전소와 같은 대형 공장에서 중요한 역할을 담당합니다.
플랜트와 같은 대형공장은 매일 많은 양의 냉각수가 필요합니다.. 이를 위해 사용되는 냉각수의 종류는 용수의 종류에 따라 차이가 있으나 비교적 손쉽게 구할 수 있으며 신뢰할 수 있는 냉각 매체 입니다. 냉각수는 한번 사용하여 설계치 이상으로 온도가 상승하며 냉각과정을 거쳐야 하는데 이때 냉각탑은 많은 양의 용수를 냉각시키는데 가장 효과적인 설비입니다. 냉각탑의 일일 처리량은 공장의 규모에 따라 차이가 있으나 일반적으로 45,000m³/hr 이상의 유량처리에 사용합니다.

Cooling Tower 출처 - www.saracoolingtower.com

 

냉각탑의 외형적인 모습은 언뜻 공장의 굴뚝을 연상시킵니다. 위의 그림에서 알 수 있듯이 연기를 뿜어내는 모습은 일반인들의 눈으로 보았을 때 냉각탑보다는 굴뚝이라 말하는 이들이 더 많을 것입니다.

 

냉각탑의 역사

초기에 냉각탑은 건물 내부의 열을 교환하기 위해 특정 구조물 내부에 물을 뿌려 건물이나 시설의 열을 제거하도록 설계되어 건물의 옥상이나 독립구조물 형태로 존재하였습니다.
산업용으로 개발되기 시작한 시점은 19세기 증기기관의 개발과 함께 응축기로 들어오는 증기를 응축하기 위한 응축기(Condenser)의 냉각 매개체로 물을 사용하면서 발전하였습니다.

냉각탑의 원리

냉각탑을 설치하는 주된 목적은 특정 공정 내에서 발생한 열을 제거하거나 낮추는 데 있습니다. 냉각탑은 기초적인 과학원리인 물의 증발을 이용합니다. 종류나 타입에 따라 차이가 있으나 열을 방출할 수 있는 매체를 형성하기 위해 팬을 사용하거나 자연적으로 물 표면의 공기를 외부로 방출하면서 열에너지를 제거하게 됩니다.
냉각탑은 자연통풍방식(Natural draft)과 강제통풍방식(Mechanical draft)으로 나뉩니다. 자연통풍방식은 탑을 통해 외부 공기를 유입시키기 위해 매우 큰 구조물을 형성하는데 이때 타워의 높이는 100m 를 상회하는 경우도 있습니다. 이러한 유형은 발전소와 같은 플랜트 산업에서 주로 사용합니다.
강제통풍방식은 강제적으로 외부공기를 팬과 같은 회전체를 사용해서 주입하는 것으로 산업 전반에서 가장 널리 사용되는 부분입니다. 강제로 팬을 사용하기 때문에 물과 공기의 접촉량이 많아지고 이는 열전달 표면적을 증가하여 효율을 극대화하는데 도움이 됩니다.

Approach Temperature 출처 - 출처 www.em-ea.org

위의 그림은 Approach Temperature 를 나타낸 그림으로 빨간색선은 Hot water로써 공정상 냉각을 필요로 유체 입니다. 이 때 최대 도달 가능한 온도 즉 Approach Temperature 를 결정하는 것이 Wet-bulb temperature 로써 온도가 낮으면 낮을수록 냉각되어 공정으로 들어가는 Cold Water Temperature (CWT) 의 온도가 낮아지는 것을 말 합니다. 발전소 콘덴서와 같은 응축장치류는 CWT의 온도가 낮을수록 성능이 향상됨으로 설계시 Approach temperature 는 중요한 설계 인자입니다.

• Hot water temperature(HWT) => Cooling Process => Cold water temperature(CWT) 

냉각탑의 종류

냉각탑의 종류 출처 www.em-ea.org

 

Hyperbolic natural draft cooling tower (자연통풍방식)

원자력 발전소와 같은 규모가 있는 공장에서 사용하는 것으로 냉각탑의 측면 모양이 곡선 형태를 띄고 있습니다. (본문 가장 위에 있는 사진이 쌍곡선타입 냉각탑입니다) 측면부를 스택이라고 하는데 이부분을 곡선처리하면 열이 방출하면서 팽창할때 공기가 상승할 대 흐름을 최적화하고 공기 이동을 유도하기 위해 설계적으로 의도한 것입니다.

특징적으로 곡선 자연통풍 방식 냉각탑은 열 제거 성능 면에서 매우 신뢰할 수 있으며 예측이 가능합니다. 구조물은 콘크리트로 만들어져 있으며 114,000 m³ 이상의 유량 처리가 가능하도록 설계할 수 있습니다.

Counterflow cooling tower (역류방식)

Counterflow 냉각탑은 주탑 상부에서 저압분사 장치를 이용해서 물을 분사하며 공기는 주탑 하단에 위치한 흡입구를 통해 주탑 상부로 유입되어 상단의 팬을 통해 외부로 배출됩니다. 상대적으로 적은 설치 공간을 필요로 한는 이점을 가지고 있습니다.

특징

• 적은 공기량
• 적은 설치공간
• 운전비용이 높음
• 기계장치의 초기 투자비용이 높음
• 보다 높은 정압을 필요로 함

Crossflow cooling towers (교차방식)

교차방식은 따뜻하고 습한 공기가 탑의 중앙의 배출구를 통해 이동하며 차갑고 건조한 공기는 타워의 측면을 통해 탑 내부로 유입됩니다. 역류방식과 대비되는 가장 큰 특징은 보다 많은 공기를 필요로 한다는 점과 균일한 출구 온도를 가지고 있습니다.

특징

• 많은 공기량을 필요로 함
• 정압이 낮음
• 운영비가 낮음 
• 초기 기계 장치류 투자비용이 낮음

 

Cooling tower 참고 내용

 

 1. 산업용 냉각탑을 사용할 경우 주변 공기 포화 수준의 90% 까지 냉각이 가능. 

 2. 상대적 주탑의 크기는 습구 온도에 대한 수온 접근 방식에 따라 결정. 

 3. 역류 방식 타워가 가장 일반적이며 습구 온도의  2°F(1.1°C) 이내로 냉각이 가능.  5-10°F(2.8-5.5°C) 접근 방식이 더 일반적.

 4. 냉각 10°F(5.5°C) 마다 순환율의 질량 기준으로 약 1% 증발 손실이 발생, 변동 손실은 순환율의 0.25% 수준. 염분 및 화학적 처리의 축적을 막기 위해 순환율의 약 3%의 Blowdown 이 필요 함. 

 

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