(11) 냉각탑의 기초 - 냉각탑의 최적선정과 냉각수의 절약 (Cooling Tower Fundamental)

 

최적선정의 배경과 필요성

     냉동기 용도의 대용량 냉각탑이 늘어가고 있다.  ASEM컨벤션 센타/인천국제공항 등의 대용량 냉방부하시설과 삼성전자/LG필립스 등의 대규모 기기냉각용에 이어서 지역냉방을 위한 집단에너지시설로 대용량 냉각탑의 설치가 계획되고 있다.  냉각탑 최적선정은 냉동기-냉각탑-냉각수 펌프와 배관을 포함하는 설비비와 그 운전비에 대한 경제성 검토로 이루어지며, 관례화된 표준적인 설계조건을 최적화 변수로 대입하여 변경시키는 과정을 거쳐야 한다.  냉각탑의 또 다른 사용처인 발전설비, 제강설비, 화학플랜트 분야 등에서는 이러한 최적선정이 기본설계 단계에서 통상적으로 이루어지고 있는 바,  중대형 규모의 공조설비에 있어서도 설비비와 운전비를 모두 낮게 설계할 수 있는 최적선정 툴을 갖는 것이 보편화 되어야 한다.

     [그림1] 대용량 냉각탑

 

한국과 미국의 표준사양 비교

     한국과 미국의 표준적인 설계사양을 대비해보면 문제점을 명확하게 알 수 있다.  냉동기 종류별로 단위 용량당 냉각수량과 온도조건이 다르지만 비교치는 일정한 양상을 갖고 있으며 운전비에 대한 실제 적용단가와 가치비중치가 다르더라도 한국의 설계사양은 미국에 비하여 냉각탑의 용량은 작게, 냉동기는 크게 선정하고 있음이 명확하다.

     [표1] 한국과 미국의 표준 냉각탑 용량비교

	한국	미국
순환수량	13 LPM	11.36 LPM
입구수온	37 ℃	35 ℃
출구수온	32 ℃	29.44 ℃
습구온도	27 ℃	25.56 ℃
냉각열량	3,900 kcal/h	3,785 kcal/h
표준냉각능력	1 CRT	1.414 CRT

     [표2] 한국과 미국의 냉각탑/냉동기 동력비 비교

	한국	미국
냉각탑 동력	1	1.55
냉동기 동력	24	18
냉동기/냉각탑	2400 %	1151 %
합계동력	100 %	77 %

     [표3] 한국과 미국의 냉각탑 선정비교 (RT당)

	한국	미국	미국/한국 대비
냉각열량, kcal/h	3,900	3,785	97 %
순환수량, LPM	13	11.36	87 %
냉각수 수온차, K	5	5.56	111 %
어프로치, K	5	3.89	78 %
냉각탑 크기, CRT	1	1.414	141 %
합계 동력, hp	1.04	0.8	77 %

     상기 비교표에서와 같이 단순한 대비사항으로도 한국과 미국의 표준적인 사양에 있어서 상당한 차이를 보인다.  단순한 차이가 우열을 의미한다는 것 보다 중대형의 설비에 있어서 최적설계를 시행해야 하는 당위성을 의미한다고 보면 접근이 쉬워진다.

     한국의 냉각열량이 더 많은 것은 일본냉동톤을 사용해온 관례가 적용된 것이며, 냉각수의 순환수량이 많고 수온차가 큰 것은 배관비용이 커지고 냉각수 순환동력 운전비가 커지는 요인이 된다.  한국이 어프로치가 더 큰 것은 냉각수 설계온도를 높게 설정하여 냉동기 크기를 크게하고 냉각탑 크기는 줄이는 결과를 갖는다.  최적설계가 필요한 최소 이유와 첫단계의 목적이 냉각탑과 냉동기 및 배관의 설비비를 동시에 줄일 수 있는 설계조건을 찾는 일이고 이를 검토해보면 현재의 한국 기준이 경제성이 없음을 나타내고 있다.  실제적인 최적설계의 목적은 운전비용을 포함하는 합리적인 선택기준을 가지며 설계조건을 찾는 경제성 검토이다.

냉각탑의 최적선정 방법

     냉각탑과 냉동기의 형식선정이나 시스템의 형식선정 등 더 큰 선정요인이 있으나 여기서는 경제성 검토에 대한 기본적인 이해와 표준적 설계조건의 탈피 마인드를 목표로 하는 설명으로 한정하며 냉동기와 냉각수 계통만을 표현하는 예이다.  실제로는 냉수계와 공조기를 포함하는 광범위로 확대하는 것이 바람직하다.

        최적선정의 입력항목

           고정항목 ;   냉동기 형식과 능력

                        냉수조건

                        공기조화기

                        냉수배관계

                        냉각탑 열부하 (냉동기 응축기 부하)

                        냉각탑 외기설계조건 (입구공기습구온도)

                        운전비용단가 (단가와 운전기간을 포함)

          변수항목 ;   냉각수 순환수량과 수온차 (반비례 관계)

                        냉각수 온도

        최적선정의 출력항목 (평가항목)

           설비비 ;     냉동기 (냉각수 순환 수량/온도에 따른 냉동기 크기)

                        냉각탑 

                        냉각수 배관/펌프

           운전비 ;     냉동기, 냉각탑, 냉각수 펌프

     최적선정의 경제성 평가의 결론은 설비비와 운전비의 합계가 가장 낮은 변수항목의 조건을 찾아내 결정하는 것이다.  [표4]는 미국냉각탑협회에서 발표한 시스템 비교에 대한 경제성검토예제이므로 좋은 참고가 될 것이다.

        공냉식과 수냉식의 경제성비교 예제조건

           ․운전시간 : 1800 hr/yr @ 100% 부하

           ․전기요금 : 0.06 USD/kw, 기본요금 12 USD/kw. yr (6개월)

           ․보급수 요금 : ￦1,000/㎥

           ․수질관리비용 : 1.0 USD/RT. month

냉각탑 최적화에 있어서 에너지 절약형은 운전비용을 평가항목에 포함시키되 운전기간을 길게 가져간다.  이자율이 높았던 국내에서는 비교적 짧은 기간인 2-5년의 적용을 많이하고 있다.  또한, 경제성 검토를 거치지 않는 경우라도 다음과 같이 추천한다.

        ․냉각수온을 최대한 낮춘다 (1 ℃ 낮추는데 냉동기 동력을 2-4% 줄임)

        ․냉각수 순환수량을 줄인다 (수온차 5.5-6℃)

        ․추천 사양변경 (RT당)

                표준 : 13 LPM, 37-32/27 WBT 

                변경 : 11.5 LPM, 36.5-32/28 WBT 

        ․추천사양변경에 따른 성능은 [그림2]와 같이 대비된다.

     [그림2] 냉각탑 사양변경 성능대비

 

    

[표4] 경제성 검토예제 - 수냉식과 공냉식

구분    항목		수냉식	공냉식
시스템 에너지 요구사양	압축기 중앙식 공기조화기 냉수 펌프 냉각수 펌프 냉각탑 팬 응축기 팬	220 111.85 14.92 11.19 18.65 -	406 111.85 14.92 -   62.5
	합계 동력 KW	376.61	595.27
시스템 설비비	냉동기 냉각탑 AHU 냉수배관(300m) 냉각수배관(120m) 냉수 펌프 냉각수 펌프 공조실	150,000 27,000 175,000 67,000 26,800 3,600 4,000 45,000	210,000 - 175,000 67,000 - 3,600 - -
	합계 설비비(USD)	498,400	455,600
연간 에너지 비용 (USD)		67,790	107,149
연간 보급수 사용비용	증발량, ton/h 배수량(C=4), ton/h 보급수량, ton/h 연간 보급수량, ton/1800h	2.725 0.908 3.633 6,539
	연간 보급수 비용, USD	5,184
연간 수질 관리 비용, USD 400RT × 1.0 × 6개월=		2,400
5년간 운전시 비용 집계 비교	시스템 설비비 에너지 비용 냉각수 비용	498,400 338,950 37,920	455,600 535,745
	합계 (USD)	875,270 (88%)	991,345 (100%)
비 고		수냉식 채택의 경우 공랭식 대비 원금회수 기간이 1.3년이나 에너지 단가의 상승 예상에 따라 2010년에는 0.75년이 예상됨.

냉각수의 절약

     신규 사업장에서 처음 맞는 여름철에 특히, 보급수를 시수로 사용하는 현장에서는 물의 사용량 때문에 논란이 일어나고 냉각수를 절약하라는 특명을 내리기도 한다.  어떤 플랜트 사업장에서는 증발된 물을 회수하기위한 장치를 연구하기도 한다.  냉각탑에서 소모되는 보급수의 절약은 가능한가?

     냉각탑은 기본적으로 물을 절약하는 장치이다.  열 부하를 감당하기위한 증발량과 수질유지를 위한 배수량을 제외한 99%의 물을 재사용하기 때문이다.  그럼에도 불구하고 실제 사용량에 대한 의구심이 끊이지 않고 있으며 계산식과 이해를 돕고자 한다.

        냉각탑 보급수량 = 증발량 + 비산량 + 배수량 --- (1)

보급수량은 상기의 (1)식으로 간단하다.  일반적인 계산방법들은 설계조건시를 기준으로 하여 보급수 라인이나 시수용량을 위한 계산용도로 사용되고 큰 문제가 없으나 실제사용량과의 대조용으로는 더 자세한 사항이 필요하다.

증발량 : 열부하의 냉각 열교환중 잠열 열교환을 위해 냉각수가 증발하는 량이다. 일반적인 계산식은 다음과 같으나 정밀한 계산식은 냉각탑 공기의 량과 온습도의 영향을 고려한다.

        증발량 (kg/h) = 순환수량(kg/h) x (입구수온 - 출구수온) / 630 --- (2)   

비산량 : 물방울 상태로 탑외로 방출되는 수량을 말하며 일반적으로는 배수량의 일부가 되므로 비산량은 보급수량에 영향을 주지 못한다.  통상 순환수량의 0.05%가 넘으면 주변 바닥에 물이 고이게 되므로 그 이하가 되도록 냉각탑을 설계하게 되며 안전율을 보아 0.02%정도로 설계하는 것이 경제적이 된다.  비산제거율이 과도하게 좋은 비산방지판의 설치는 공기저항으로 인한 동력증가만 가져오므로 냉각수가 오염되는 냉각탑 이외에는 좋다고 볼 수 없다.

        비산량 (kg/h) = 순환수량(kg/h) x 비산율 (0.02%) / 100 --- (3)   

배수량 : 수질유지를 위해 배수시키는 량으로 통상 농축배수를 6-7로 설정하여 운전한다.  일반 보급수 라인의 설계는 농축배수를 3으로 계산할 수 있다.  냉각수질은 KS M0077 규격에 준하며 수처리 약품투입과 필터링에 의하여 배수량을 다소 줄일 수 있으나 계산식은 다음에 의한다.

        배수량  (kg/h) = (증발량 - ((농축배수-1) x 비산량)) / (농축배수-1) --- (4)

계산 예 : 1000 CRT, 780 m3/h, 냉각수온 37-32 ℃의 냉각탑의 경우 일반적인 계산

        

        증발량 = 780 * 1000 * (37 - 32) / 630 = 6190.5 kg/h

        비산량 = 780 * 1000 * 0.02 / 100 = 156 kg/h

        배수량 = (6190.5 - ((6 - 1) * 156)) / (6 -1) = 1082.1 kg/h

     따라서, 보급수량 = 6190.5 + 156 + 1082.1 = 7428.6 kg/h     

증발량의 정밀계산방법 : 하기의 예제 [표5]와 같은 방법으로 공기의 량과 온습도의 영향을 포함하여 계산할 수 있으나 이 계산방법도 냉각탑 출구공기를 포화습공기로 가정하기 때문에 매우 낮은 습도의 공기일 경우 정밀도가 떨어진다.

 [표5] 증발량 정밀계산 예제

1. 냉각탑 운전조건

A. L    = 780   ton/hr, 순환수량                          

B. Thw = 37    'C, 입구수온                             

C. Tcw = 32    'C, 출구수온                             

D. L/G  = 1.7   냉각수/건공기 중량비율                            

2. 입구공기 운전조건

A. 고도 = 0     m              101.325  kPa, 대기압                      

B. DBTi = 31.5  'C, 입구공기 건구온도                             

C. WBTi = 27    'C, 입구공기 습구온도                             

D. RHi  = 70.82 %, 입구공기 상대습도                              

                                                                        

3. 결과

A.  Le  = 6247.64 kg/hr, 증발량           0.801   %, 순환수량 대비

B. WBTo       = 33.92   'C, 출구공기 습구온도                            

                                                                        

4. 계산

냉각탑의 기본 열평형식은 다음과 같다                                       

                                                                        

 1)    G(Ho-Hi) = L Thw - (L-Le)Tcw                                    

        여기에서,                                                 

        G      = 458823.5       kg'/hr, 건공기량                  

        Ho     = 29.2536        kcal/kg', 출구공기 엔탈피          

        Hi      = 20.3179        kcal/kg', 입구공기 엔탈피          

                                                                        

식 1)의 증발량 Le는 다음과 같이 표시할 수 있다.                              

                                                                        

 2)    Le = G (Wso-Wsi)                                                 

        여기에서,                                                 

        Wsi    = 0.02086        kg H2O/kg', 입구공기 절대습도             

        Wso    = 0.03448        kg H2O/kg', 출구공기 절대습도             

                                                                        

식1)에 식 2)를 대입하면 다음과 같이 표시할 수 있다.           

                                                                        

 3)    Ho = L/G (Thw-Tcw) + (Wso-Wsi) Tcw + Hi                         

                                                                        

식 3)으로부터 출구공기 습구온도를 구하려면 반복계산법을 사용해야한다.  

출구공기습구온도(WBTo)를 가정하고 이에 대한 절대습도(Wso)와 엔탈피(Ho)를

차트에서 찾아 식 3)의 계산에 의한 엔탈피와 완전히 일치하는 WBTo를 반복계산하여 구한다. 

                                                                        

따라서, 결과는 :                                                  

                                                                        

A. WBTo       = 33.92  'C, 출구공기 습구온도                             

B. Wso = 0.03448        kg H2O/kg', 출구공기 절대습도                     

C. Ho   = 29.254  kcal/kg', 차트에 의한 출구공기 엔탈피               

D. Ho  = 29.254  kcal/kg', 식 3)의 계산에 의한 출구공기 엔탈피 

   C = D 이므로, OK!                                                    

E. Le   = 6247.64       kg/hr 식 2)에 의한 증발량                 

증발량을 결정하는 제요소를 포함하는 계산 결과에 의하여 다음사항을 알 수 있다.

        * 습도가 높을수록 증발량은 적아진다. (2배 이상의 차이)

        * 공기량이 적을수록 증발량이 적어지는 경향 (일부 영역은 반대의 경우도 발생)

        * 냉각탑의 성능과 증발량은 직접 관련이 없다.

증발량의 현장적용 : 상기 [표5]의 정밀계산 방법에도 불구하고 년중 실제운전의 증발량 계산은 다음사항을 더 고려해야 가능하다.

   * 운전방법에 따른 계산 : 자동/수동에 의한 팬의 운전상태, 냉각수의 운전상태

   * 부하변동에 따른 계산

     대기조건에 따른 냉각수의 운전조건은 냉각탑 제조사가 제공하는 성능곡선에서 찾을 수 있으나 냉각부하는 통상 80-120% 범위만 제공된다.  자동제어에 의한 냉각수온의 조정과 팬의 정지 시 계산도 쉽지 않다.  팬의 정지 시에도 공기는 유동되어 온도차가 발생하고 증발량도 발생한다.  팬의 정지 시 증발량은 팬 가동중인 것의 15% 정도에 이른다.

한편, 냉각탑의 증발량 부분은 하수도 요금을 할인받을 수 있으므로 확인이 필요하다.

   적용예 : [그림3]은 특정지역의 월별 평균 대기조건을 적용하여 개방형과 밀폐형 및 백연방지형에 대한 증발량을 비교한 것이며 다음 조건을 적용하였다.

        설계조건 : 1,023 m3/h, 37.38-32/27.4 ℃ WBT, 7셀

        운전조건 : 냉각부하 불변, CWT=30℃로 팬 제어, 백연방지형은 냉각수 비례제어,

                   월 730시간, 년 8760시간 운전기준임.

   [그림3] 냉각탑 월별 증발량

   [표6] 냉각탑 월별 증발량

月	대기조건			증발량
	DBT	WBT	RH	개방형	밀폐형	백연방지형
1 월	-0.4	-1.81	75	4473.3	469.4	2615.7
2 월	1.4	-0.64	67	4579.0	809.1	2862.6
3 월	6.2	3.3	62	4825.5	1735.5	3442.4
4 월	13.3	8.89	56	5242.0	3173.2	4342.2
5 월	17.9	14.04	66	5451.5	4110.6	4788.1
6 월	20.7	16.79	68	5619.6	4700.7	5097.4
7 월	24.1	21.25	78	5735.9	5394.3	5364.4
8 월	25	22.37	80	5773.1	5582.4	5442.9
9 월	19.8	17.11	77	5468.6	4478.6	4875.0
10 월	12	9.38	72	5076.2	2880.2	4025.6
11 월	5.7	4.24	75	4732.8	1625.1	3242.5
12 월	0.1	-1.4	74	4499.6	562.2	2674.0
월별 증발량 평균 (ton)				5,123	2,960	4,064
년간 증발량 합계(ton)				61,477	35,521	48,773