4-3. 냉각탑의 냉각수 온도가 기준 운전 조건 이하로 저하될 때 나타나는 장애와 이를 해결하는 온도 제어 방법에 대하여 설명하시오.

냉각탑 냉각수 온도가 기준 운전 조건 이하로 저하될 때의 장애 및 제어 방법

냉각탑은 시스템(주로 냉동기 응축기 또는 산업 공정 설비)에서 발생한 열을 냉각수를 통해 흡수하여 대기 중으로 방출함으로써 냉각수를 차갑게 만드는 장치입니다. 냉각수 온도는 외부 환경 조건(건구 온도, 습구 온도) 및 시스템 부하에 따라 자연스럽게 변동합니다. 하지만 시스템 요구 사항이나 안전 기준에 비해 냉각수 온도가 지나치게 낮아지면 다음과 같은 장애가 발생할 수 있습니다.

 

1. 냉각수 온도 저하 시 나타나는 장애

냉각탑에서 나가는 냉각수 온도가 기준 운전 조건(예: 냉동기 제조사 권장 응축수 입구 온도 범위 하한) 이하로 저하될 때 나타나는 주요 장애는 다음과 같습니다.

1. 냉동기 운전 불안정 및 효율 저하:
   • 저압 운전 및 써징: 냉동기 응축기로 공급되는 냉각수 온도가 너무 낮으면 응축 압력(Condenser Pressure)이 과도하게 낮아집니다. 이는 특히 원심식 압축기에서 써징(Surging, 압축기 내부의 유체 흐름 불안정 현상)을 유발하여 압축기에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
   • 팽창 밸브 제어 이상: 응축 압력이 낮아지면 팽창 밸브가 냉매 유량을 적절히 제어하기 어려워집니다. 이로 인해 증발기에서의 과열도(Superheat) 유지가 불안정해지고, 액체 냉매가 압축기로 유입되는 액 압축(Liquid Slugging) 현상이 발생하여 압축기 고장을 유발할 수 있습니다.
   • 오일 순환 문제: 일부 냉동기 시스템에서는 저압 운전 시 압축기 오일의 순환이 원활하지 않아 윤활 부족으로 인한 문제가 발생할 수 있습니다.
   • 설계 범위 이탈 운전: 냉동기는 특정 응축 압력/온도 범위에서 최적의 효율과 성능을 발휘하도록 설계됩니다. 너무 낮은 응축 온도는 설계 범위를 벗어나 시스템의 전반적인 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.
2. 동결(Freezing) 위험:
   • 대기 온도가 낮을 때 냉각수 온도가 지나치게 내려가면 냉각탑의 충진재(Fill Media), 살수 배관, 집수조(Sump) 또는 연결 배관 등에서 물이 얼어붙는 동결이 발생할 수 있습니다.
   • 동결은 설비 파손, 배관 막힘, 시스템 작동 중단 등의 심각한 문제를 야기합니다.
3. 기타 문제:
   • 일부 산업 공정에서는 특정 온도 범위의 냉각수를 요구하므로, 너무 낮은 온도는 공정 품질에 악영향을 줄 수 있습니다.
   • 수처리 약품의 효능이 저온에서 떨어질 수 있습니다.

2. 냉각수 온도 제어 방법

냉각수 온도가 기준 운전 조건 이하로 내려가는 것을 방지하고 적정 온도를 유지하기 위한 제어 방법은 주로 냉각탑의 냉각 능력을 조절하는 방식을 사용합니다.

1. 팬(Fan) 제어:
   • 팬 운전/정지 제어: 가장 기본적인 방법입니다. 냉각수 온도가 설정값 이하로 떨어지면 냉각탑 팬을 정지시켜 공기 흐름을 차단함으로써 냉각 효과를 줄입니다. 온도가 다시 상승하면 팬을 가동합니다. 여러 개의 팬이 있는 경우 순차적으로 운전/정지시킵니다.
   • 팬 속도 제어 (VFD 활용): 팬 모터에 인버터(VFD, Variable Frequency Drive)를 설치하여 팬의 회전 속도를 연속적으로 조절하는 방법입니다. 팬 속도를 줄이면 공기 유량이 감소하여 냉각 능력이 부드럽게 조절되며, 에너지 절감 효과도 큽니다. 냉각수 온도 변화에 더욱 정밀하게 대응할 수 있습니다.
2. 냉각수 유량 제어 (Bypass Control):
   • 냉각탑으로 들어오는 뜨거운 환수 냉각수의 일부 또는 전부를 냉각탑 상부의 살수 시스템이나 충진재를 거치지 않고 냉각탑 하부 집수조로 바로 흘려 보내는 방식입니다.
   • 냉각탑 내부에서 공기와 접촉하여 증발 냉각되는 물의 양을 줄임으로써 냉각 효과를 감소시키고, 뜨거운 환수 냉각수와 찬 집수조의 냉각수를 혼합하여 공급 온도를 높이는 원리입니다.
   • 일반적으로 자동 제어 밸브(Bypass Valve)를 환수 배관에 설치하여 냉각수 온도에 따라 밸브 개도를 조절함으로써 이루어집니다. 팬 제어와 병행하여 사용되기도 합니다.
3. 루버(Louver) 또는 댐퍼(Damper) 제어:
   • 냉각탑의 흡입구 또는 토출구에 자동 조절 루버 또는 댐퍼를 설치하여 냉각탑 내부로 유입되거나 외부로 배출되는 공기의 양을 물리적으로 조절하는 방법입니다.
   • 공기 유량을 제한하여 냉각 능력을 감소시킵니다. 팬 제어나 바이패스 제어에 비해 널리 사용되지는 않지만, 특정 조건에서 유용할 수 있습니다. 동절기 동결 방지에도 활용될 수 있습니다.

이러한 제어 방법들은 냉각수 출구 온도 센서 또는 응축기 입구 온도 센서의 신호를 받아 자동 제어 시스템(DDC 등)에 의해 자동으로 수행됩니다. 제어기는 설정된 목표 냉각수 온도를 유지하기 위해 팬 운전/정지, 팬 속도, 바이패스 밸브 개도 등을 상황에 맞게 조절합니다.

적절한 냉각수 온도 제어는 냉동 시스템의 안정적인 운전 범위 확보, 압축기 보호, 에너지 효율 최적화, 그리고 동절기 동결 방지를 위해 매우 중요합니다.