대일아쿠아

냉각탑 설계의 꽃이라 불러도 손색이 없는 물 분배 계통은 냉각탑의 성능을 좌우하는 중요한 부분이다. 냉각탑의 열량 계산을 정확하게 하고 이에 따라 냉각탑을 설치하였다 하더라도 FILL 상부 전면에 고르게 물이 분배되지 않는다면 냉각탑의 제 성능을 기대하기는 어려울 것이다.

물 분배 배관 계통의 설계와 물 분사 노즐의 사이징에 대한 이해를 돕기 위하여 대항류형 냉각탑의 실례를 들어 기술코자 한다.

오늘날 냉각탑에 적용되고 있는 물 분베 계통의 종류는 크게 두 가지로 대별할 수 있다.

• ●  개방식 분배(Open Distribution Type)
• ●  폐쇄식 분배(Closed Distribution Type)

개방식 분배 형식은 주로 콘크리트 냉각탑에 적용되는 방법으로 냉각탑 충진재 상부에 수조를 만들어 냉각수 Return Line과 직결시켜 수조 (Flume) 내로 물이 차게 되면 중력에 의하여 (즉 수위에 의해) 냉각수가 가지관 (Lateral Pipe)를 통해 분배되도록 한 것으로, 수조는 냉각탑 공기 흡입구 상부 양쪽 또는 한쪽에 설치할 수 있다. 이 형식에 사용되는 노즐은 반듯이 중력식 (Gravity Type: 0.2 kg/cm² 이하)이어야 한다.

폐쇄식 분배 형식은 콘크리트, 목재 또는 철재 냉각탑 모두에 적용될 수 있으며, 냉각수 Return Line을 냉각탑 내의 헤더 파이프 (Header Pipe)에 연결시키고 이 배관과 연결된 가지관을 통해 냉각수가 분배되도록 한 것이다. 헤더 파이프와 연결되는 라이저 파이프 (Riser Pipe)는 냉각탑의 공기 흡입구 상부 한쪽에만 두는 것이 일반적이나 경우에 따라서는 양쪽에 두기도 한다. 이 방식에 사용되는 물 분사 노즐은 반듯이 저압형 (0.2 ~ 0.7 kg/cm²)이어야 한다.

이 방식의 핵심은 물 분사 노즐이 요구하는 물 분사 범위 (Water Coverage)를 충족시키기 위한 수두 (Static Head)를 정확히 산출하여 Flume의 높이를 정하고 수조 내의 수위가 일정하게 유지되도록 설계하는 것이다. 참고로, Flume의 폭은 수두와는 무관하며 라이저 파이프를 통하여 냉각수가 방출될 때 일어나는 와류에 의한 물의 파고를 줄여주고 동시에 수조내에서 청소 작업이 용이하도록 하면 된다.

먼저 Flume에서 요구되는 Static Head를 계산해 보면,

① 노즐 당 평균 유량과 노즐의 유량 계수에 근거한 Nozzle Head
② 노즐로 들어 가는 물의 Turning Loss로서 배관에서의 Velocity Head
③ 배관의 평균 압력 손실
④ Riser PIpe의 엘보우에서의 배관 입구측 압력 손실 등으로

Flume에서의 평균 수위는 위의 값들의 합이다. Flume에서 Static Head는 Flume 내의 수위와 동일하며 Flume 입구측 (Riser Pipe의 Flume 연결 지점)의 물의 Turburance로 수위는 일정한 것이 아님.

위의 스케치는 Nozzle Discharge Point에 걸리는 수두를 나타낸 것으로,

한편 노즐을 통과하는 유량은 다음 수식에 의해 계산된다.

여기에 사용된 기호는,

Flume과 연결되는 Lateral Pipe는 일반적으로 배관 내 유속을 일정하게 유지하기 위하여 압력 구배가 동일하게 되는 계단식 배관 (Stair Pipe) 방식을 적용하여 노즐을 일정한 간격으로 배치하거나, 직 배관 (Straight Pipe: 배관의 직경이 동일) 방식을 적용하여 배관 내 유속이 일정하지 못하여 생기는 압력 구배가 다름으로 동일한 오리피스의 노즐을 사용해서 노즐간의 간격을 달리하거나, 또는 상이한 오리피스의 노즐을 사용해서 노즐간의 간격을 동일하게 하여 일정한 유량을 얻어 물 분사 범위가 균일하게 할 수 있다. 후자 방식에 비하여 전자 방식이 설계상 편한 잇점이 있다.

Lateral Pipe의 구경 선정 기준은 배관 내의 동압이 50 ~ 100 mm Aq.로 제한하는 것이 좋다. 이는 배관 내의 유속이 0.7 ~ 1.4 m/sec에 상응하는 [=2 x g x (50 ~ 100) / 1000)^1/2]것으로 배관 전체에 고른 물 배분을 갖기 위함이다. 한편, 유속의 선정 기준은 배관의 직경, 배관의 길이 그리고 노즐에 걸리는 압력 등에 따라 정하는 것으로 보통 유속을 기준으로 1.0 ~ 1.4 m/sec로 유지 되도록 설계하는 것
이 무리가 없다. 참고로, 전체의 Lateral Pipe 내에서 일어나는 압력 손실의 합이 Inlet Pipe에서의 동압과 비슷할 때 최상의 설계 조건이 된다. 이렇게 될 경우 Lateral Pipe의 첫 번째 노즐과 마지막 노즐의 Static head가 거의 동일하게 된다. 이것이 바로 최적의 유속은 배관의 직경과 길이에 따라 변화하는 이유를 설명하는 것이다. (배관의 직경이 증가함에 따라 압력 손실은 감소하며, 배관의 길이가 길어지면 따라서 압력 손실은 증가하기 때문이다.)

Flume의 설계는 전체 순환 수량의 +/- 10%의 변동에 대응하도록 한다. +/- 10% 유량 변화는 Static Head에서 +/- 21% (= 1.1² = 1.21) 변화를 의미하기 때문에 유량 변화는 노즐에 걸리는 수두에 결정적 역활을 한다. 예를 들면, 노즐에서 평균 수두가 0.3 미터라 하면 전 배관에 걸쳐 수두는 +/- 6 cm 변화만 허용한다. 이는 매우 관리하기 어려운 것으로 수두는 적어도 0.6 미터 이상 갖도록 설계하는 것이 유량 변화에 따른 수두 변화를 흡수하기에 용이하다.

한편, 냉각탑의 벽체에 근접한 노즐로 부터 분사되는 물은 냉각탑의 벽체를 타고 흘러 내려 냉각이 충분히 이루어 지지않은 체로 수조에 이르기 때문에 이 량을 줄이기 위해서는 냉각탑 벽체에 Water Baffle을 설치하는 것이 좋다.

노즐을 통과한 물이 충진재 상부에 분사되는 형태는 노즐의 출구 모양에 따라 결정되는 것으로 노즐의 출구 형상과 동일하게 분사가 된다. 노즐의 출구가 정 사각형이면 분사 모양은 정 사각이며, 원형이면 분사 모양이 원형이 된다.

노즐간의 이격 거리는 노즐에 걸리는 물의 압력, 노즐 출구에서 충진재 상부까지의 거리 (Nozzle Distance) 그리고 충진재를 통과하는 공기의 유속과 관련되는 것으로 유량의 변화를 고려하여 분사되는 가장자리가 대략 50mm 정도 겹치도록 설계를 하여야 한다. 이렇게 하기 위해서는 노즐에 대한 성능 자료가 준비되어야 한다.

먼저 노즐의 수량을 정하고 노즐에 걸려 주어야 되는 수두를 계산한 다음 노즐 거리 (Nozzle Distance)를 구하면 된다. 다음 예제를 참고하기 바람.

① 냉각수량: 1,650 T/hr
② 냉각탑 셀 수: 1
③ 냉각탑 구조물: 콘크리트
④ 물 분배 계통 형식: Open Flume
⑤ Flume 수: 셀당 2
⑥ 냉각탑 치수: 12.20 m L x 9.96 m W
⑦ 충진재 형식: Splash (Opti-Grid)
⑧ 충진재를 통과하는 공기의 유속: 3 m/sec
⑨ 노즐 모델: AK-1

Opti-Grid Splash Fill은 SS Wire로 고정하는 것으로 일반적으로 별도의 충진재 지지대가 필요하지 않으며 물 분배 계통의 배관에 매 단다. Opti-Grid의 Wire의 간격이 610 mm임을 감안하여 Lateral Pipe의 간격도 610 mm로 하기로 한다.

• ●  Open Flume이 셀 당 두개이므로 한쪽 Flume은 전체 순환 수량의 1/2인 825 T/hr이다.
• ●  Water Flow per Lateral Pipe: 냉각탑의 길이가 12.2 m 이므로 Lateral Pipe는 20개가 소요된다. 따라서 파이프 하나 당 냉각수는 41.25 T/hr (= 825 / 20)가 된다.
• ●  Lateral Pipe 당 노즐의 수: 아래의 Nozzle Flow Chart를 이용하여 최소한의 수두인 0.6 m (세로축)를 택하고 오리피스가 25 mm (가로축)인 것을 택하면 노즐 당 유량은 5.8 m³/hr를 얻게 된다. (앞에서 언급한 바와 같이 노즐 당 유량은 수두와 오리피스 구경에 비례한다.)

파이프 당 노즐은 7개 (= 41.25 m³/hr / 5.8 m³/hr = 7.11)로 한다.

4) 수두 (Static Head): 노즐 하나 당 유량은 5.893 m³/hr (= 41.25 m³/hr / 7)이므로 수두는 0.619 m [= 0.6 m x (5.893 / 5.8)²]가 된다. 이것이 바로 노즐이 요구하는 수두인 것이다. 참고로 여기서 말하는 수두는 노즐의 출구단에서 Flume의 수면까지의 높이이다. 즉, 앞 스케치에서 h₀ + R + h₁에 해당된다.

5) 노즐 거리 (Nozzle Distance): Water Coverage Chart를 이용하여 노즐의 하단에서 충진물 상부까지의 이격 거리를 찾는다. 먼저, 노즐 하나의 최소 분사 반경을 다음 식으로 부터 계산한다.

    = 0.463 m

공기의 유속이 3.0 m/sec인 Water Coverage Chart에서 Nozzle Distance vs Water Coverage는 다음과 같다. 따라서 보간법에 의해서 계산을 하면 노즐 거리는 0.7825 미터가 된다. 여기에 여유율을 고려하면 노즐 거리는 0.785 미터로 하면 될 것이다.