대일아쿠아

냉각탑에서 일어나는 감열에 의한 열 전달 (SENSIBLE HEAT TRANSFER 또는 단순히 HEAT TRANSFER)과 증발에 의한 열 전달 (MASS HEAT TRANSFER 혹은 단순히 MASS TRANSFER) 현상을 규명하기 위한 수많은 이론들이 1900년대 초에 활발하게 전개되어 왔으나, 물과 공기 사이의 접촉전면적을 계산하는 방법을 찾지 못함으로써 실험 자료나 또는 잘 알려진 열 전달 이론으로 부터 열 전달 계수(K)가 직접 정해질 수 없다는 결론만을 얻었을 뿐 이론 정립에 실패하였다.

1925년에 이르러 HEAT & MASS TRANSFER에 대한 구체화된 이론을 독일 DRESDEN 기술 대학의 교수 MERKEL 박사가 대향류형 (COUNTER FLOW TYPE)의 냉각탑에 있어, "물이 공기와 직접 접촉하여 냉각될 때 일어 나는 HEAT TRANSFER와 MASS TRANSFER의 복잡한 현상은 대략적으로 엔탈피 차에 비례한다"는 이론을 몇 가지의 가정 하에 처음으로 공개 발표하였다.

MERKEL 이론을 바탕으로 여러 사람들이 냉각탑 요구 열량 (TOWER THERMAL DEMAND, 또는 TOWER DEMAND)을 계산하기 위한 수식화 작업에 노력을 기울였고, 그 결과 1943년에 이르러 오늘날 까지 널리 사용되고 있는 아래의 냉각탑 요구 열량 계산식을 FOSTER-WHEELER CORP에 재직하고 있던 LIECHTENSTEIN가 처음으로 발표하였고, 미국 CALIFORNIA 대학에서 실물 크기의 냉각탑에 대
해 아래 관계식의 검증을 위하여 실험을 실시하였다.

이때 그는 실험 과정에서 냉각탑 입구 수온 (INLET WATER TEMP.)이 비교적 낮은(30^oC 이하) 온도에서는 설계 자료와 실험 결과가 거의 동일하게 나타났으나, 입구 수온이 30^oC 이상에서는 냉각탑의 특성에 상당한 변화가 발생되어 설계 자료와 실험 결과에 상당한 차이가 발생하고 있다는 사실을 감지하였다. 이는 물의 온도에서 포화 되어 물을 감싸는 공기의 유막 (AIR FILM)이 열 전달에 저항하는 정도가 서로 다르게 나타나기 때문인 것으로 LIECHTENSTEIN는 입구 수온의 영향에 대한 좀더 세밀한 연구를 당시에 더 이상 진행하지 않았다.

그 후 다른 많은 학자들에 의해 입구 수온과 냉각탑 공기 속도에 따른 냉각탑 특성의 변화를 조정하는 계수가 개발되게 되었다. (이에 대해서는 3장을 참고) 한편 LIECHTENSTEIN은 상기 공식 우변의 적분이 지루하기 짝이 없는 계산이었기 때문에 보다 쉽게 적분을 계산하기 위한 방법을 모색하였고, 그는 그래프에 의한 적분 법을 사용하여 여러 가지의 습구 온도 (WET BULB TEMP.), 냉각 범위(COOLING RANGE), 접근 온도 (APPROACH) 그리고 수공비 (L/G)를 변수로 KaV/L을 도표화한 한 권의 냉각의 난이도 곡선집을 발간하였다. 이것을 그는 COOLING TOWER BLACK BOOK라 불렀으며, 수년간 이 자료는 냉각탑의 설계, 성능 예측 그리고 성능 평가에 있어 산업계의 표준이었다.

이 후 1957년에 J.F. PRITCHARD는 BLACK BOOK을 보다 간편하게 사용하기 위하여 그래프의 KaV/L과 L/G값을 상용대수 (LOG)로 표기함으로써, TOWER DEMAND CURVE에 냉각탑 특성 곡선을 직선으로 쉽게 그릴 수 있도록 하여 "COUNTER FLOW COOLING TOWER PERFORMANCE"라 이름 지어 발간하였다. LIECHTENSTEIN이 발간한 BLACK BOOK과 구분하기 위하여 BROWN BOOK이라 호칭하였다. 이로써 종전 보다 편리하게 TOWER DEMAND CURVE에 TOWER CHARACTERISTIC CURVE를 작도할 수 있게 되었으며, 냉각 성능을 예측하는 것은 물론 냉각 성능을 분석하는데 매우 편리한 기틀을 마련하게 되었다. 또한 PRITCHARD는 BROWN BOOK에 여러 종류의 FILL에 대한 성능 자료를 포함 시켰으며, 냉각탑 설계 절차 및 냉각탑 선정과 성능에 미치는 요소들에 대해서도 기술함으로써 산업계에 폭 넓게 이용되는 전기를 마련하였다.

상기 자료는 제한된 부수로 발간되어 일반 업체는 이 자료를 쉽게 구할 수 없는 문제가 있었고 한편BLACK BOOK이나 BROWN BOOK들이 컴퓨터가 없던 시절에 수작업에 의해 계산되고 커브 작도의 간편성을 고려하여 몇 가지를 단순화 함으로써 그 정밀도가 다소 떨어 진다는 문제점이 대두되어, 미국 냉각 기술 협회 (COOLING TECHNOLOGY INSTITUTE, CTI : 참고 냉각탑 협회 명칭을 2000년 부터 냉각 기술 협회로 개칭하였음.) 산하 성능과 기술 위원회 (PERFORMANCE AND TECHNOLOGY)는 MERKEL이 제안한 공식을 근간으로 THERMAL DEMAND 식의 우변을 좀더 간편하고 정밀도가 높은 여러 적분 기법을 검토하였고, 그 중에서 TCHEBYCHEFF 4 POINTS 적분법이 가장 정밀도가 높고 모순이 적다는 결론을 내렸다. CTI는 TCHEBYCHEFF 적분법에 따라 1967년에 이르러 40 종류의 습구 온도와 21 개의 냉각 범위에 대해 35 가지 경우의 접근 온도를 근간으로값을 계산하여 X축에는 L/G값을, Y축에는 NTU (NUMBER OF TRANSFER UNIT; 열 전달 단위 수)인 KaV/L 값을 그리고 접근 온도를 변수로 하여 LOG SCALE로 총 821 종류의 KaV/L 대 L/G 곡선을 발표하였다. 이를 COOLING TOWER PERFORMANCE CURVE라 명명하였으며 앞서의 자료들과 쉽게 구분하기 위하여 CTI BLUE BOOK
라고 칭한다.

BLUE BOOK은 해당 습구 온도와 냉각 범위에 대한 곡선을 이용하여 설계 L/G에 대한 설계 접근 온도에서의 NTU를 신속하게 찾을 수 있는 계산 도구인 셈이다. 또한 냉각탑 성능 측정 자료의 분석 및 성능 예측에 사용되는 귀중한 자료이다. 그러나 CTI에서 발간한 이 자료 역시 MERKEL 박사가 수치 해석과 계산에서 가정한 7 가지 중 가장 큰 오차의 원인인 증발에 의한 열량 변화 (HUMID HEAT)을 무시한 가정을 수정 없이 받아 드림으로써, CTI BLUE BOOK에 의하여 냉각탑을 설계할 경우 실제의 냉각탑의 성능이 냉각탑 입구 수온에 따라 일반적으로 적게는 2-3% 많게는 8-10% 이상 부족한 결과를 초래하였다. 특히 SPLASH FILL을 사용하는 경우는 냉각탑 입구 수온에 따라 냉각탑 성능 상에 보다 큰 오차를 유발한다는 사실도 입증되어 있다.

이에 대하여 대부분의 냉각탑 제조 업체는 그들 나름의 수정 계수를 TOWER DEMAND에 적용하거나, 아니면 냉각탑 특성(THERMAL CAPABILITY)에 적용하여 HUMID HEAT의 무시 분을 보완하고 있다. 이러한 수정 계수를 MERKEL CORRECTION FACTOR라 부르고 있으며, 미국의 냉각 기술 협회는 MERKEL 수정안에 대한 통일안을 마련 중이며 곧 수정된 자료를 발표할 단계에 있다.