냉각탑 설계 기본 이론 및 설계 검토 기본 요령 냉각탑

	대항류형의 경우 냉각은 FILL에서 대략 전체 냉각 범위의 80-90% 정도며, 나머지 10 - 20%는 FILL 이외의 지역에서 일어 난다. 물이 노즐에서 분사되는 동안 FILL을 통과한 공기와 만나 일차로 냉각이 되며, 보통 전체의 냉각 RANGE의 5 - 10% 정도로 사용되는 노즐의 종류와 노즐에서 FILL 상단까지의 거리 (NOZZLE DISTANCE)와 직접 관련되어 있다. 그리고 FILL하부를 떠난 물이 COLD WATER BASIN에 이르는 동안 냉각탑에 유입되는 가장 낮은 온도의 공기와 접촉하면서 전 냉각 범위의 5 - 10% 정도가 이 지역에서 냉각이 된다. 이를 RAIN ZONE이라하며 냉각 정도는 RAIN ZONE의 높이에 비례한다. 이와 같이 냉각탑에 유입된 공기는 물의 열을 전달 받으면서 공기의 체적이 늘어 나게 됨으로 반듯이 해당 지역에서의 공기의 비체적을 구한 다음 공기의 무게를 곱하여 공기 체적을 계산하고 해당 지역의 면적으로 나누어 공기의 속도를 구한다. 이 공기 속도를 공기 압력 손실 계산식에 적용하여야 한다. (8) FAN의 설계: FAN의 선정은 상당한 기술이 요하므로 일단 동 분야에 축적된 경험이 많은 업체의 도움을 받아 설계 하는 것이 필요하다. 여기서 간단히 소개하고자 하는 것은 FAN의 회전속도는 매우 중요한 설계 인자 중의 하나로, 단순히 결정되는 것이 아니라 FAN BHP를 비롯한 FAN의 소음 문제, FAN의 CRITICAL SPEED에 의한 RESONANCE 문제 그리고 COUPLING SHAFT와의 RESONANCE 문제 등 설계 공기량을 운반해야 되는 가장 기본적인 요구 사항 외에 실로 많은 부가적인 내용을 검토하여야 한다. 아주 가끔 접하는 문제는 FAN의 BALANCE 상태는 매우 양호 하나, 운전 중에 심한 진동이 발생된다는 것이다. 여러 원인이 있을 수 있으나, 일단 의심할 수 있는 것 중의 하나는 FAN이 CRITICAL SPEED에서 운전되는 경우라 할 수 있다. FAN BLADE는 운전 중에 축 추력 하중에 의한 처짐 현상과 BLADE의 PITCH ANGLE이 ZERO로 되려는 비틀림 응력이 발생하게 되는데, 이러한 BLADE의 처짐 과 비틀림 변형이 생기면 탄성체인 BLADE는 그 변형을 회복하려고 하는 에너지를 발생시키고, 이 에너지는 운동 에너지로 되어 BLADE ROOT를 중심으로 번갈아 변형을 반복하게 된다. 이 변화의 주기가 BLADE 자체의 처짐 또는 비틀림의 고유 진동수와 일치하던지, 아니면 그 차이가 극히 작을 때는 공진이 생겨 진동 현상은 더욱 격렬히 일어나고, 진폭은 차차 증대되어 결국 BLADE의 탄성 한도를 넘어서 파괴될 것이다. 이와 같은 BLADE의 회전 속도를 CRITICAL SPEED라 하며, FRP FAN BLADE에서는 이를 FIRST CRITICAL SPEED라 한다. FAN의 OPERATING FREQUENCY는 FAN의 고유 진동 주파수인 일차 임계 속도로 부터 최소 5% 이상 떨어져 운전되도록 FAN BLADE의 수와 FAN SPEED를 정하여야 한다. FAN 직경의 설계는 그리 단순한 것이 아니고 여러 인자를 고려해서 정해야 되는 기술을 요하는 설계 분야 중의 하나 이나, 일반적으로 FAN으로 공기 유입이 원활히 유지되면서 DRIFT ELIMINATOR 전면에 걸쳐 고른 공기 배출을 위해서는 INDUCED DRAFT인 경우 FAN이 차지하는 면적이 CELL의 단면적에 최소한 30% 이상이 되도록 하여야 하며, FORCED DRAFT인 경우는 40% 이상이 되도록 설계하여야 한다. 한편 FAN을 통과하는 공기의 유속은 가능한 2,100 FPM (10.668 M/S)를 초과하지 않도록 설계하는 것이 FAN 효율을 높이고 소요 동력을 최소화하는 방법임은 물론 소음도 줄일 수 있다. 일반적으로 1,600 - 2,000 FPM (8.128 - 10.16 M/S) 범위 내에 공기의 유속을 갖도록 하는 것이 FAN의 성능에 가장 좋을 뿐만 아니라 FAN의 피로 수명을 연장하는 방법 중의 하나다. FAN의 선 속도 (TIP SPEED)는 냉각탑 구조물의 재질에 따라 정하는 것이 FAN과 구조물을 보호 하고 진동을 최소화할 수 있다. 일반적으로 콘크리트 구조물에서 FAN의 선 속도는58 M/SEC 이하로 하며, 철재나 목재 구조물에서는 53 M/SEC 이하로 하는 것이 좋다. 한편 BLADE의 수는 구조물의 재질과 FAN STACK의 재질, FAN의 직경, 그리고 요구되는 진동 허용치에 따라 최소한의 수를 제한 하게 된다. 즉, 이는 BLADE 하나가 토출하는 공기량의 분담과 관련된 것으로 HUDSON FAN의 경우 다음과 같으며 FAN 제작사 마다 상이함으로 제작사와 상의 하기 바람. 냉각탑 구조물 재료 Fan Stack 재료 Fan 직경 최소 날개 수 (80 미크론 기준) 최소 날개 수 (40 미크론 기준) 콘크리트 콘크리트/FRP 7 - 14 4 개 5 개 16 - 20 5 개 6 개 22 - 32 6 개 7 개 목재/철재 FRP 7 - 14 5 개 6 개 16 - 20 7 개 8 개 22 - 32 8 개 10 개 FAN 제작사가 제시 하는 FAN 효율은 TIP CLEARANCE가 거의 없고 FAN 전후 유로에 장애물이 없는 극히 이상적인 풍동 (WIND TUNNEL) 시험 조건에서 얻어진 것이므로, 실제로 적용할 때는 반듯이 보정 계수를 적용하여야 한다. 일반적으로 TIP CLEARANCE 별로 보정 계수를 달리하며, TIP CLEARANCE가 FAN 직경의 0.5% 미만인 경우는 0.95를 적용한다. 또한 감속기는 치차로 구성되어 있기 때문에 동력 전달 과정에서 열이 발생되고 이로 인한 기계적 손실은 대략 5% 내외다. 따라서 감속의 동력 전달 효율은 95%를 적용한다. 모터의 동력 여유율 (POWER MARGIN)은 13% 내외로 한다. (그 이유는 냉각탑의 설계 조건에서 얻어진 토출 공기의 밀도는 가장 낮은 조건이므로, 실제로 FAN이 운전되는 온도는 항상 토출 공기의 설계 온도 보다 낮은 상태이므로 이때의 공기 밀도가 보다 높으므로 이를 고려하여야 한다. FAN의 축 동력은 공기 밀도에 정비례 한다.) 따라서 FAN 모터의 최소 동력은 다음 수식에 의거하여 계산한다. 최소 모터 동력 = (FAN BHP / 0.95 x 0.95) x 1.13 첨부의 THERMAL CALCULATION DETAILS는 냉각탑 열량 설계에 대한 전 과정을 기술하고 있으므로 참고하기 바람. 2) 냉각탑의 설계 검토 기본 요령 (1) TOWER SIZE: PLENUM CHAMBER에서 FAN으로 유입되는 공기의 최적화는 CELL을 정사각형으로 설계하는 것이나, 현장 여건상 또는 CELL의 숫자가 많을 경우 CELL의 LENGTH를 WIDTH 보다 짧게 할 때는 LENGTH가 WIDTH의 0.8배 보다 작게 해서는 안된다. 0.8배 보다 작게 해야 할 경우는 CELL의 구석 부분과 WIDTH 쪽의 벽에 가까운 ELIMINATOR로 부터는 공기가 원활하게 통과하지 못하여CELL 내부에 냉각이 안되는 DEAD ZONE이 생기게 된다. 불가피 하게 이런 관계를 벗어나 CELL 치수를 정할 경우는 FAN의 직경을 일반적인 설계 시 보다 다소 크게 하던지 아니면 PLENUM CHAMBER 높이를 정상 설계치 보다 높게 하여 ELIMINATOR 전면을 통하여 고른 공기 흐름이 되도록 한다. TOWER의 크기는 접근 온도 대비 열 제거량을 고려한 물 분포 하중 (WATER LOADING, 단위 면적 당 그리고 단위 시간당 물의 순환량)에 의해 결정되는 것으로 이는 FILL의 DEPTH와도 직접적으로 관계된다. 일반적으로 냉각탑에 전용되고 있는 FILL의 물 분포 하중은 대향류형인 경우 2 - 14 GPM/FT2 (5 - 34 M3/HR/M2) 이며, 직교류형인 경우는 4 - 24 GPM/FT2 (10 - 55 M3/HR/M2) 이다. (2) 공기 흡입구의 수와 방향을 정한다 TWO SIDES onLY, END CLOSED ALL AROUND THE CELL GROUP ON onE SIDE onLY BACK TO BACK, OPEN ALL AROUND AIR INLET의 DESIGN은 FILL 면에 공기 분배를 좌우 하는 것 외에 공기 흡입구에서의 공기 압력 손실로 FAN 동력이 상승되는 원인이 되는 중요한 설계 요소 중의 하나로 위해서, 통과하는 유속이 어떤 경우든 1,100 FPM (5.588 M/S) 이상 되어 서는 안된다. 공기 흡입구의 높이는 일반적으로 TOWER 폭의 1/4에서 1/3 정도로 하며, 경우에 따라 가감할 수 있다. 공기 흡입구에서의 과도한 압력 손실은 흡입측 공기 흐름 방향에 와류가 생겨 FILL에 공기의 분배가 고르지 않게 되어 냉각 성능을 떨어뜨리는 결정적인 원인이 된다. 또한 FAN의 동력이 올라 가는 문제도 수반되며, 공기가 흡입되면서 발생되는 소음도 커지게 된다. 공기 흡입구를 거친 공기가 FILL 전면에 고르게 분포하여 FILL을 통과한 공기의 유속이 FILL 전면에 걸쳐 고르게 되게 설계하려면, FILL에서의 압력 손실의 합이 공기 흡입구에서 발생한 압력 손실의 합에 최소한 3 배가 되도록 한다. 만일의 경우 이 범위를 지키지 않았을 경우 즉 공기 흡입구에서의 공기 압력 손실이 FILL에서의 압력 손실보다 1/3 이상이 되면, 공기는 CELL의 중앙으로 몰려 FILL을 타고 상승하고 공기 흡입구에 가까운 지역에 있는 FILL은 공기 거의 없는 현상이 발생한다. 3) FILL DEPTH: FILM FILL인 경우는 최대 5', SPLASH FILL인 경우는 10 - 15' 이내로 하는 것이 FILL에서의 PRESSURE DROP을 비교적 적게 하면서 소기의 목적을 달성할 수 가 있다. FILL에서의 압력 손실은 FILL에서의 물 분포 하중, FILL를 통과하는 공기의 평균 유속, 공기의 밀도 그리고 FILL의 높이에 관계되는 함수로 FILL MAKER가 제공하는 PERFORMANCE 자료에 의거하여 계산을 하고 얻어진 그 값에 SAFETY FACTOR 1.03에서 부터 1.05 범위 내에서 보정을 하는 것이 DESIGN PRACTICE이다. FILL에서의 공기의 최대 유속은 700 FPM (3.556 M/S) 이상이 되지 않도록 하고 최소 유속이 300 FPM (1.524 M/S) 이하가 되지 않도록 TOWER의 SIZE를 설계하여야 한다. (4) 노즐의 설계: 물 분배 계통에 따라 노즐의 형식이 결정된다. 물 분배 계통을 폐쇄식으로 설계하게 되면 저압식 노즐 (LOW PRESSURE NOZZLE: 0.15 - 0.85 Kg/cm2)을 선정하여야 되며, 개방식으로 설계를 하였을 경우는 중력식 노즐 (GRAVITY NOZZLE: 0.2 Kg/cm2 미만)을 선정하여야 한다. 노즐의 설계는 노즐 당 유량, 물의 분사 면적, 분사 면적을 유지하기 위한 수두 (WATER HEAD), 노즐과 FILL과의 거리 등 수 많은 설계 요소를 검토하여야 되는 분야로 사실상 냉각탑 설계에서 가장 공수를 많이 차지하는 분야 중의 하나다. NOZZLE 설계에 대한 전문적인 지식이 없이 설계하는 것은 절대 금물이며, 반듯이 전문가의 의견에 따라야 된다. (5) PLENUM CHAMBER 설계: FAN에 유입되기 전 DRIFT ELIMINATOR를 거친 각기 다른 밀도를 갖은 공기를 혼합하는 장소임과 동시에 ELIMINATOR 전체로 부터 고른 공기 유속을 유지하기 위한 냉각탑의 허파와 같은 역할을 한다. PLENUM CHAMBER의 높이는 일반적으로 (CELL의 대각선 길이 - FAN 직경) / 4 + 알파로 이 값 보다는 반듯이 높게 설계되어야 한다. 만약 이를 지킬 수 없는 고도 제한을 받는 경우는FAN의 직경을 보다 크게 설계하면 될 것이나, FAN을 통과하는 공기의 유속이 느려져 에너지가 적게되면, 흡입구로 재 유입 되는 문제가 발생될 수 있으므로 주의가 요구된다. 한편 정상적인 높이 보다 낮을 경우는 FAN이 바로 아래에 있는 DRIFT ELIMINATOR로 부터 공기를 강력하게 뽑아 내므로 ELIMINATOR 중앙에서의 DRIFT LOSS가 심하게 증가 됨은 물론 FILL의 상부에 까지 영향을 미쳐 PRESSURE DROP이 증가되는 원인이 되고 이로 인한 공기량의 감소는 냉각 성능을 저해하는 요인이 됨으로 PLENUM 설계는 상당히 중요하다.

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