냉동기용 냉각탑의 용량 선정

1. 표준 냉동톤이란?

톤의 어원은 영화관 그리고 콘서트 같은 장소들이 얼음으로 냉각이 되었던 시절로 거슬러 간다.

겨울철에 호수 물이 얼면 이 얼음을 저장해 두었다가 하절기에 사용한다.

공기를 얼음 주변을 순환 시켜 공기를 냉각시키는 것이다.

우리는 극장의 주인이 어느날은 1톤 어느날은 1.5톤의 얼음을 주문하는 것을 상상할 수 있다.

기계식 냉동기가 도입된 다음에도 톤 개념은 존속되었다.

업주는 여전히 자기가 몇 톤을 원하는지의 상당 용량을 제공할 수 있는 시스템을 살수 있다.

1 파운드의 얼음이 녹을 때 144 BTU를 흡수하기 때문에 24 시간에 걸쳐 녹는 얼음 1톤은 다음과 같은 열 전달율을 갖는다.

열 전달율 = 2,000 Lb x 144 BTU/Lb / 24 hr = 12,000 BTU/Hr = 12,000 x 0.252 = 3,024 Kcal/Hr

그래서 실내 거주자들이 12,000 BTU/Hr 율로 열 제거를 체험할 때 그들은 1톤의 냉각을 즐기고 있는 것이다.

(1 BTU/Hr = 0.252 Kcal/Hr)

2. 표준 냉각톤이란?

기계식 냉동기 계통은 주로 모터로 구동 되는 컴프레서를 사용하기 때문에 냉동기에 열을 추가 된다.

따라서 냉각탑은 실내로부터 톤 당 12,000 BTU/Hr 열을 제거해야 함은 물론 컴프레서와 같은 기기의 열을 제거하여야 한다.

이렇게 추가되는 열은 일반적으로 공조 계통의 경우 약 3,000 BTU/Hr이다. (냉동톤의 25%)

그러므로 거주자들이 톤 당 12,000 BTU/hr 열 제거를 즐기는 반면에

냉각탑은 톤 당 15,000 BTU/Hr에 가까운 율로 열을 제거하는 것이다.

이것이 냉각톤 (Cooling Tower Ton)의 근원이다.

이 정의는 일반적인 공조 계통 조건들에 한하여 유효하다.

또 다른 일반 용어는 공칭 용량 (Nominal Capacity)이다.

이 용어의 뿌리는 공조에 근간하며 다음의 가정들을 포함한다.

- 냉각탑은 톤 당 3 GPM 율로 냉각수를 순환시킨다. (15,000/60/10/8.33 = 3 GPM/TON)

- 설계 습구 온도가 화씨 75도에서 냉각수가 화씨 95도로 냉각탑에 유입되고 화씨 85도로 냉각탑을 떠난다.

우리나라에서는 냉동기의 용량은 USRT를 기준으로 하고,

냉각탑의 용량은 US기준을 따르지 않고 일본 기준이 간편함으로 일본 기준을 따라서 1 냉각톤은 다음과 같다.

냉각탑이 추가로 열을 제거할 냉동기의 기계 발생열을 냉동톤의 30%인 907 Kcal/Hr로 고려 할 때 냉각탑이 제거해야 할 총 열량은

3024 + 907 = 3931.1 Kcal/Hr인데 편이상 3900 Kcal/Hr 을 1 냉각톤이라 한다

이때 하며 다음의 가정을 포함한다.

- 냉각탑은 톤 당 13 LPM 율로 냉각수를 순환시킨다. (3900/60/5 = 13 LPM/TON) - 설계 습구 온도가 섭씨 27도 씨에서 냉각수가 섭씨 37도로 냉각탑에 유입되고 섭씨 32도로 냉각탑을 떠난다.

3. 냉동기 형식별 냉각탑 선정 기준

냉동기의 형식에 따라 냉각수 순환 수량, 냉각수 입출구 온도가 상이하나 일반적인 기준은 다음과 같다.

냉각수 열량 = 냉동기 열량 x 냉동기 열량 추가 계수 냉각수 유량 = 냉각수 열량 / (냉각수 입출구 온도 차 x 물의 비중 x 물의 비열)

☆ 실제 냉각탑 선정 시에 냉각수 유량은 아래에서 계산된 냉각수 유량에 최소 10% 정도의 여유율을 갖어야 한다.

이는 냉동기의 순간 부하 증가 시 냉각수 열량이 증가하기 때문이며, 또한 냉각탑 주변의 외기 온도 및 습도에 따라 냉각탑의

성능이 크게 변화하기 때문임.

1) 흡수식 냉온수기 냉동기 제작사 별로 냉동기 열량 추가 계수가 상이하나, 대략 1.8 ~ 2.0 정도이며,

냉각수 입구 수온은 섭씨 37.4도 이고, 출구 수온은 섭씨 32.0도가 일반적이다.

☞ 예) 아래와 같은 조건일때 냉각수 순환수량 및 열량은? - 냉동기 용량 = 800 USRT - 냉동기 열량 추가 계수 = 1.8 - 냉각탑 입구 수온이 섭씨 37.4도 - 출구 수온이 섭씨 32.0도 냉각수 열량 = 800 x 3024 x 1.8 = 4,354,560.0 Kcal/hr 냉각수 유량 = 4,354,560 / {(37.4 - 32.0) x 1000 x 1} = 806.4 m^3/hr = 13,440.0 LPM

2) 흡수식 중온수 냉동기 이 또한 냉동기 제작사 별로 냉동기 열량 추가 계수가 상이하며 대략 2.3 ~ 2.8 정도이며,

냉각수 입구 수온은 섭씨 36.5도 이고, 출구 수온은 섭씨 31.0도가 일반적이다.

☞ 예) 아래와 같은 조건일때 냉각수 순환수량 및 열량은? - 냉동기 용량 = 800 USRT - 냉동기 열량 추가 계수 = 2.8 - 냉각탑 입구 수온이 섭씨 36.5도 - 출구 수온이 섭씨 31.0도 냉각수 열량 = 800 x 3024 x 2.8 = 6,773,760.0 Kcal/hr 냉각수 유량 = 6,773,760 / {(36.5 - 31.0) x 1000 x 1} = 1,231.6 m^3/hr = 20,526.5 LPM

3) 일중 효용 저압 증기용 흡수식 냉동기또한제작사 별로 냉동기 열량 추가 계수가 상이하며 대략 2.3 ~ 3.0 정도이며,

냉각수 입구 수온은 섭씨 35.5도 이고, 출구 수온은 섭씨 31.0도가 일반적이다.

☞ 예) 아래와 같은 조건일때 냉각수 순환수량 및 열량은? - 냉동기 용량 = 800 USRT - 냉동기 열량 추가 계수 = 2.8 - 냉각탑 입구 수온이 섭씨 36.5도 - 출구 수온이 섭씨 31.0도 냉각수 열량 = 800 x 3024 x 2.8 = 6,773,760.0 Kcal/hr 냉각수 유량 = 6,773,760 / {(35.5 - 31.0) x 1000 x 1} = 1,505.3 m^3/hr = 25,088.0 LPM

4) 터보 냉동기 이 또한 냉동기 제작사 별로 냉동기 열량 추가 계수가 상이하며 대략 1.2 ~ 1.3 정도이며,

냉각수 입구 수온은 섭씨 37.0도 이고, 출구 수온은 섭씨 32.0도가 일반적이다.

☞ 예) 아래와 같은 조건일때 냉각수 순환수량 및 열량은? - 냉동기 용량 = 800 USRT - 냉동기 열량 추가 계수 = 1.3 - 냉각탑 입구 수온이 섭씨 37.0도 - 출구 수온이 섭씨 32.0도 냉각수 열량 = 800 x 3024 x 1.3 = 3,144,960.0 Kcal/hr 냉각수 유량 = 3,144,960.0 / {(37.0 - 32.0) x 1000 x 1} = 629.0 m^3/hr = 10,483.2 LPM

5) 왕복동식 및 스크류 냉동기 이 또한 냉동기 제작사 별로 냉동기 열량 추가 계수가 상이하며 대략 1.3 ~ 1.5 정도이며,

냉각수 입구 수온은 섭씨 37.0도 이고, 출구 수온은 섭씨 32.0도가 일반적이다.

☞ 예) 아래와 같은 조건일때 냉각수 순환수량 및 열량은? - 냉동기 용량 = 800 USRT - 냉동기 열량 추가 계수 = 1.5 - 냉각탑 입구 수온이 섭씨 37.0도 - 출구 수온이 섭씨 32.0도 냉각수 열량 = 800 x 3024 x 1.5 = 3,628,800.0 Kcal/hr 냉각수 유량 = 3,628,800.0 / {(37.0 - 32.0) x 1000 x 1} = 725.8 m^3/hr = 12,096.0 LPM

●냉동톤 정리 1 USRT : 3,024 KCAL/HR (미국 냉동톤) 1 RT : 3,320 KCAL/HR (한국, 일본 냉동톤) 섭씨 0℃의 물 1톤을 24시간만에 0℃의 얼음으로 만들수 있는 능력 (1 RT = 79,680 KCAL / 24 HR = 3,320 KCAL/HR) ● 냉동톤 관련 단위환산표 구분 Kcal/h Btu/h (US)Rt (J)Rt KW HP Kcal/h 1 3.968 0.0003306 0.00003312 0.001162 0.00155 Btu/h 0.252 1 0.0000833 0.0000759 0.000293 0.00039 (US)Rt 3,024 12,000 1 0.91 3.57142 4.69 (J)Rt 3,320 13,174.6 1,097 1 3.861 5.149 kW 860 0.003412 0.2843 0.2590 1 1.333 HP 640 2,559.5 0.213 0.1942 0.75 1 ● 단위 환산 내용 단위 단위계 내 용 Kcal/h MKS단위 단위시간당 물 1kg을 1℃ 높이는데 필요한 열량 단위시간당 물 1Β(0.453kg)을 1℉올리는데 필요한 열량 Btu/h ft-lb단위 단위시간당 물 1kg을 1℃ 높이는데 필요한 열량 단위시간당 물 1Β(0.453kg)을 1℉올리는데필요한 열량 (US)Rt 32℉의 물 1톤(2,000Β)을 24시간동안에 32℉의 얼음으로 얼리는데 필요한 열량 (1Rt=12,000Btu/h=3,024Kcal/h) (J)Rt 0℃의 물 1톤(1,000kg)을 1일간에 0℃의 얼음으로 얼리는데 필요한 열량 (일본 냉동톤) 법정 냉동톤 고압가스 안전관리법상의 냉동능력산정의 기준이 되는 것으로 단순히 제품이 고압가스 안전 관리법에 해당되는가를 사용 Comp의 압축량에 따라 판단하는 기준임. R (1일 냉동톤=V/C) - V : 압축기의 표준회전속도에 대한1시간의Piston 압축량 (㎥/h) - C : 냉매가스의 종류에 따른 상수 HP Horse Power의 약어로 말 한마리가 내는 힘단위로 동력의 단위로서 냉동계에서는 일반적으로 Comp에 해당하는 Motor의 출력을 표시하므로 공학이론 계산과의 차이에 유의해야 함. 공학이론 계산시는 1HP = 745.7W = 640Kcal/h로 계산한다. W SI단위 SI단위로서 표준열량 단위이며, 1KW=860Kcal/h임