| 예제
8
- 순환 수량, L1:
16,000 GPM
- 냉각탑 입구 수온, HWT1: 105oF
- 냉각탑 출구 수온, CWT1: 85oF
- 냉각탑 입구 공기의 습구 온도, WBT1: 75oF
- 냉각탑 입구 공기의 MASS FLOW, G1: 115,900 LB/MIN
dry air
- 냉각탑 특성값의 기울기, m: - 0.6
계산
- R1 = 105 -
85
- L4 = L1 = 16,000 x 8.345238 = 133,523.8
LB/MIN
- D1 = 133,523.8 x 20 = 2,670,476 BTU/MIN
- G4 = G1 = 115,900 LB/MIN dry air
- (L/G)1 = (L1 / G1) = 133,523.8 / 115,900
= 1.152
- D4 = 133,523.8 x 40 = 5,340,952 LB/MI
- (L/G)4 = (L4/G4) = (L/G)1 = 1.152
예제 7의 계산2와 같은 요령으로 CTI BLUE BOOK PAGE 75
WBT/40 R이용하여 접근 온도를 찾을 수 있다. 앞서의 예제와 같이
COMPUTER로 결과를 알아 보는 방법으로 접근 온도를 계산한다. 예제
8도 역시 예제 7의 초기 상태와 동일함으로 (L/G)1과 (KaV/L)1에는
변화가 없이 동일 하다. 따라서, (L/G)4 = 1.152이고 (KaV/L)4
= 1.4846인 셈이다. 이것과 새롭게 구할 TOWER CHARACTERISTIC
값과 새로운 조건에서의 APPROACH를 미지 함수로 하여 TOWER DEMAND를
구하여 이 값이 (KaV/L)4 = 1.4846과 일치하는 그 점이 바로
얻고자 하는 APPROACH인 것이다. (KaV/L)4 = (NTU)4를
만족하는 APPROACH를 얻을 때까지 반복적인 계산을 하여야 한다.
|
hw |
ha |
1/(hw-ha) |
|
WBT + Approach
+ 0.1 * R |
60.1316 |
ha1 + 0.1
* L/G * R |
43.2065 |
0.05908 |
|
WBT + Approach
+ 0.4 * R |
81.1737 |
ha1 + 0.4
* L/G * R |
57.0305 |
0.04142 |
|
WBT + Approach
+ 0.6 * R |
99.4871 |
ha1 + 0.6
* L/G * R |
66.2465 |
0.03008 |
|
WBT + Approach
+ 0.9 * R |
136.0139 |
ha1 + 0.9
* L/G * R |
80.0705 |
0.01788 |
|
SUM |
0.14846 |
NTU
= S (1/hw-ha)
/ 4 x RANGE = 0.14846 / 4 x 40.0 = 1.4846
따라서
(NTU)4= (KaV/L)4 만족하는 APPROACH는 13.91oF를
얻게 되고, (CWT)4 = WBT + APPROACH = 75.0 +
13.91 = 88.91oF, (HWT)4 = (CWT)4
+ (RANGE)4 =88.91 + 40.00 = 128.91oF를
얻게 된다. |
5) 냉각수의
수질: 부유물이 완전히 제거된 보통 양질의 수질에서 운전되는 냉각탑은 성능에 별 다른
영향을 미치지 않으나, 부유물이 대폭적으로 증가되면 냉각탑의 열적 성능이 현저한 감소를
일으키기 전에 열 교환기 등과 같은 외부 장비에 오염을 초래할 것이다. OIL과 같은
오염 물질은 비교적 낮은 농도에서 조차 냉각탑의 성능에 심각한 감소를 초래하는 것은
냉각수의 증기압에 상당한 변화를 가져 오기 때문이다. 보다 자세한 것은 수질 분석
전문가와 상의를 하기 바람.
6) 냉각수와
공기의 분배: 대항류형의 냉각탑에서 물과 공기의 고른 배분은 최대 냉각 성능으로 나타
날 것이다. 물과 공기 둘 중의 하나 또는 둘 다 분배가 매우 불량하게 되면 냉각
성능이 정상적인 것에 50% 이하로 감소되는 결과로 나타날 수 있다. 가령 대항류형의
전체 노즐의 1/3이 막혔다고 가정하면, 물이 분사되지 않는 부분에서는 공기의 흐름
저항이 줄어들어 대부분의 공기가 이곳을 통해 올라 올 것이며, 물이 분사되는 부분으로는
상대적으로 소량의 공기가 올라와 냉각 성능이 급격히 떨어짐은 자명한 사실이다.
참고로 공기와
물의 배분이 원할 한가를 점검하기 위해서는 DRIFT ELIMINATOR 상부 또는
FILL 상부에서 건구 온도계로 측정하여 보면 쉽게 결과를 알 수 있다. 설계는 냉각탑의
FILL에서 전면에 걸쳐 L/G가 동일한 상태이므로, 배분이 완벽한 상태라면 온도
측정값이 모두 고르게 나타나야 될 것이나, 대부분의 경우 냉각 범위에 따라 많게는
5-6oC 적게는 2-3oC 차이가 나는 것이
대부분의 경우이다. 물이 상대적으로 적게 분사되는 지역에서는 공기 저항이 적어 많은
공기가 올라옴으로 그 지역에서의 L/G값은 설계 L/G보다 상당히 낮아짐으로 토출되는
공기의 엔탈피 (냉각탑 입구 엔탈피 + RANGE x L/G)가 낮으므로 당연히 온도는
낮게 마련이다. 따라서 온도 측정 결과로 부터 분사 노즐의 위치 및 ORIFICE
SIZE의 적정성 여부와 공기 분배 계통의 적정성 여부도 동시에 판단할 수 있는 객관적
자료로 활용할 수 있다.
공기 분배 계통의
설계는 공기 역학적인 차원에서 설계 시 충분히 고려하여야 될 분야로 다음의 원칙을
벗어나는 경우는 공기가 균일하게 FILL을 통과하지 않고 공기가 중앙으로 몰려 상승하는
결과를 초래한다.
| -
FAN의 면적이 냉각탑 CELL의 단면적에 차지하는 FAN COVERAGE는
INDUCED DRAFT인 경우는 최소 30%이상이 되도록 한다.
- 공기 흡입구가 두개인
대항류형의 냉각탑의 경우 공기 흡입구의 높이는 냉각탑 폭의 1/4 이상
되도록 함과 동시에,
- 흡입구를 통과하는 공기의
유속이 LOUVER를 사용한 경우는 5 M/SEC 이하, LOUVER가
없는 경우는 5.5 M/SEC 이하가 되도록 한다. 이때 유속은 주 기둥,
보 등과 같은 냉각탑 구조물의 면적 (AIR INLET OBSTRUCTION
이라 함)을 제한 순수 면적을 기준으로 계산된 것이어야 한다.
- 상기 조건을 동시에
만족함과 아울러 공기 흡입구에서의 총 공기압 손실이 FILL에서 발생되는
총 공기압 손실의 1/3 이하가 되도록 한다.
- 냉각탑의 단위 CELL의
길이 대비 폭의 비는 1: 0.8 ~ 1.2 범위에 들도록 한다.
- 냉각탑을 향해 부는
계절풍의 방향이 공기 흡입구와 가능한 직각이 되지 않도록 냉각탑을 설치하여야
이로 인한 냉각탑의 성능 저하를 막을 수 있으며, 또한 측풍 이라도 그
영향을 최소화하기 위해서는 반듯이 RAIN ZONE에 WIND BAFFLE을
설치 하여야 한다. (이에 대해서는 뒤에서 보다 자세히 다루겠다.)
| 여러
CELL의 냉각탑이 연속적으로 연결된 경우는 CELL간은 완전히
구분되도록 CELL PARTITION을 설치하여 마치 독립된
CELL을 여러 개 붙여 놓은 것과 같이 한다. CELL PARTITION이
없는 경우에 일부 CELL의 FAN을 OFF하고 냉각수를 BY-PASS
시키게 되면, OFF된 CELL의 FAN STACK을 통하여
대기의 공기가 FAN이 운전되고 있는 CELL로 유입되는 현상이
발생하기 때문에 FILL를 통과하는 공기량이 줄어 들어 냉각
성능이 저하되는 문제가 발생한다. OFF된 CELL의 FAN은
FAN STACK을 통해 들어 오는 공기 흐름 에너지에 의해
FAN은 역 회전 방지 장치 (BACK STOP)가 없는 한
FAN은 역 회전을 하게 된다. 이런 OFF된 상태에서 FAN에
동력을 인가하면 구동부가 손상되게 될 것은 자명한 사실이다.
한편, 공기가
FILL 하부를 통하여 FILL 전면에 고르게 분포하도록 하기
위해서는 FILL 지지 구조물의 설치 방향을 공기의 흐름 방향과
직각이 되게 하여야 한다. 공기 흐름 방향에 직각이 되게 설치할
경우는 FILL 지지물의 앞 단에서 심한 와류가 발생하여 공기의
관성력을 줄임으로서 공기의 분배를 원활히 하기 때문이다.
또한 DRIFT
ELIMINATOR를 통과한 습한 정도가 서로 다른 공기가 완전히
혼합되고, DRIFT ELIMINATOR의 전체 면적을 통해
고르게 공기가 FAN으로 유입되게 하기 위해서는 DRIFT로
부터 FAN INLET까지 충분한 공간을 갖도록 PLENUM을
설계하여야 한다. (PLENUM에 대해서는 뒤에서 보다 자세히
다르겠음.) 만약 PLENUM 공간이 충분하지 않을 경우는 FAN과
투영되는 지역 내에 있는 DRIFT ELIMINATOR로 부터
공기가 집중적으로 많이 토출 되어, 냉각탑 벽체에 가까운 지역에
있는 DRIFT ELIMINATOR로 부터는 공기가 올라 오지
않는 문제를 유발한다. 물론 유속이 빠른 지역에 있는 DRIFT
ELIMINATOR는 과도한 유속으로 인하여 비산 (DRIFT
LOSS)이 과대하게 발생되게 된
다. (일반적인 BLADE TYPE의
DRIFT ELIMINATOR의 최대 허용 유속은 3.0 M/SEC이며,
다공성의 (CELLULAR TYPE) DRIFT ELIMINATOR
3.5 M/SEC 이내로 하여야 한다.
참고 자료:
WATER DRIFT LOSS란 공기 흐름을 따라 미세한 액체
상태의 물방울이 냉각탑으로 부터 대기 중으로 배출되는 것을 말하며,
손실량은 사용되는 분사 노즐에서 분사되는 물의 물방울의 크기
및 수, 사용되는 FILL의 종류 그리고 공기와 물 흐름 형태에
좌우된다. 따라서 미세하게 분사하는 노즐은 냉각 성능을 미세하게
향상시킬 수는 있을지 모르나, 비산량이 지나치게 많아 지기 때문에
노즐 선정에 각별한 주의를 요한다. SPLASH FILL은 물이
FILL 표면에 부딪치면서 잘게 부서져 유입 공기와 열을 교환하는
것으로 FILL 표면을 따라 흘러 내리면서 열을 교환하는 FILM
FILL에 비해 비산 손실은 매우 큰 편이다. SPLASH FILL을
사용하는 경우는 FILL을 통과하는 공기의 유속을 FILM FILL에
비해 상대적으로 작게 하는 것이 비산을 줄일 수 있는 하나의
방편이다. 오늘날 사용되고 있는 다공성의 DRIFT ELIMINATOR의
비산 손실량은 순환 수량의 0.002% 이내이다. |
|
7) 공기 유량:
공기 유량은 냉각탑의 설계와 운전에 있어 일차적인 변수로 일정한 속도에서 운전되는
고정 PITCH FAN을 사용하고 있는 냉각탑은 기본적으로 유입되는 공기량에 큰 변화가
없다. 그러나, 대부분의 냉각탑은 공기 유량을 조절할 수 있는 아래의 방법 중 하나
또는 두 가지를 사용하여 냉각탑의 출구 수온을 조정한다.
| -
극수 변환 모터 (POLE CHANGE MOTOR): 4/6, 4/8 또는
4/6/8 (냉각수 온도 조정을 보다 용이하게하고 실질적인 동력을 절감하기
위해서는 4/8 POLE 보다는 4/6 POLE CHANGE MOTOR를
사용하는 것이 바람직하다.)
- 자동 가변 피치 FAN
(AUTO-VARIABLE PITCH FAN): 사용 가능한 FAN의 직경과
날개의 수에 제약이 있으나, 냉각수 온도를 감지하여 FAN의 PITCH를
자동으로 조정하게 됨으로 가장 효과적인 방법이다.
- 자동 변속 모터 (VARIABLE
SPEED MOTOR): 냉각수의 온도를 감지하여 그 신호에 따라 모터의
속도를 조절하여 공기 유량을 조정하는 방법으로 FAN의 풍량은 FAN의
회전 속도에 비례하는 FAN 법칙을 이용한 것이다. 그러나, 냉각탑에 사용되는
FAN은 감속기를 사용하기 때문에 감속기의 윤활에 문제가 있어 이 이하로
모터가 회전하지 않도록 해야 됨은 물론, FAN이 FAN 자신의 CRITICAL
SPEED의 +/- 5% 범위 내에서 운전되지 않도록 VARIABLE SPEED
MOTOR의 PANEL에 SPEED LOCK FREQUENCY를 설정하여야
된다. 따라서 모터의 실질적인 운전 속도 범위는 매우 좁기 때문에 냉각탑에
적용은 효과적이지 못하다.
- 공기량 조절 댐퍼 (AUTOMATIC
DAMPER): 냉각탑 공기 입구에 가변의 LOUVER를 설치하여, DAMPER에
의해 LOUVER의 각도를 조절하여 유입되는 공기량을 조절하는 방식으로
이것만 단독적으로 적용 시는 동력 절감이 크게 효과적이지 못하다. (공기
유량 조절 방안에 대해서는 저자가 발간한 "FAN ENGINEERING
MANUAL"을 참고하시기 바람.)
다음은 예제 7을 이용하여
공기의 유량을 인위적으로 바꾸어 115,900 LB/MIN으로 부터 57,950
LB/MIN으로 줄였을 때 냉각탑 입구 및 출구 수온을 예측하여 본다.
예제 9
- 순환 수량, L1:
16,000 GPM
- 냉각탑 입구 수온, HWT1: 105oF
- 냉각탑 출구 수온, CWT1: 85oF
- 냉각탑 입구 공기의 습구 온도, WBT1: 75oF
- 냉각탑 입구 공기의 MASS FLOW, G1: 115,900 LB/MIN
dry air
- 냉각탑 특성값의 기울기, m: - 0.6
계산
- R5 = R1 = 105
- 85
- L5 = L1 = 16,000 x 8.345238 = 133,523.8
LB/MIN
- D5 = D1 = 133,523.8 x 20 = 2,670,476 BTU/MIN
- G1 = 115,900 LB/MIN dry air
- (L/G)1 = (L1 / G1) = 133,523.8 / 115,900
= 1.152
- G5 = 57,950 LB/MIN
- (L/G)5 = (L5/G5) = 133,523.8 / 57,950
= 2.304
앞서의 예제들과 요령으로
CTI BLUE BOOK PAGE 75 WBT/20 R이용하여 APPROACH를
찾을 수 있으나, 여기서는 COMPUTER로 APPROACH를 계산하는
방법을 사용한다. 예제 9도 역시 예제 7의 원>래 상태와 동일함으로 (L/G)1과
(KaV/L)1에는 변화가 없이 (L/G)1 = 1.152이고 (KaV/L)1
= 1.4846 이다. 이로 부터 TOWER CHARACTERISTIC의
상수 C값 1.6162가 얻어지고, 이 C 값을 사용하여 새로운 L/G
조건에서 TOWER CHARACTERISTIC 값과 새로운 L/G 조건에서의
APPROACH를 미지 함수로 하여 TOWER DEMAND를 구한 (NTU)5와
일치하는 그 점이 바로 얻고자 하는 APPROACH이다.
NTU
= S (1/hw-ha)
/ 4 x RANGE = 0.19590 / 4 x 20.0 = 0.9795
따라서
(NTU)5= (KaV/L)5 만족하는 APPROACH는 19.93oF를
얻게 되고, (CWT)5 = WBT + APPROACH = 75.0 +
19.93 = 94.93oF, (HWT)5 = (CWT)5
+ (RANGE)5 = 94.93 + 20.00 = 114.93oF를
얻게 된다. 다음은 예제 9와 같은 조건에서 습구 온도가 75oF
에서 50oF로 내려갔을 때의 입구 수온과 출구 수온을
알아 본다. |
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