An Experimental Study on Thermal Performance of Multi Path Closed Circuit Cooling Tower

Abstract

최근 냉각탑은 대부분의 산업공정과 냉동 공조 시스템에서 발생되는 열을 제거하는 하나의 효율적인 장치로 사용되어 지고 있다. 일반적으로 냉각탑은 개방식과 밀폐식으로 구분되어 진다. 개방식 냉각탑은 냉각수를 직접적으로 대기에 노출시켜 열을 제거하기에 대기오염을 일으킨다. 반면에, 밀폐식 냉각탑은 냉각수와 대기에 간접적으로 접촉되어 열을 제거하여 냉각수나 대기의 오염의 방지할 수 있다. 밀폐식 냉각탑에서 냉각수 펌프는 전체 동력의 60~70%를 차지하고 있다. 에너지 절감요구가 크게 부각되면서 펌프의 동력 소비를 줄이기 위한 방안으로 Path가 하나인 일반적인 밀폐식 냉각탑의 냉각수량을 자체를 최대한 줄이는 방법을 사용하여 냉각탑의 배관비용 절감효과를 얻지만, 튜브내부의 냉각수의 속도가 느려지기에 냉각성능이 크게 미달되는 문제가 발생되어 진다. 유체의 속도를 높여주기 위해 튜브 번들을 블록화 하여 Multi Path형으로 제작하여야 한다. 본 연구에서는 밀폐식 냉각탑에 Multi path를 적용해 연구한 논문은 기존에 나와 있지 않아, 멀티패스 밀폐식 냉각탑의 기초 설계 데이터를 제공하기 위해 패스변화에 따른 열·물질 전달계수와 냉각성능에 대해 실험하였으며, EES(Engineering Equation Solver)을 이용하여 멀티패스 밀폐식 냉각탑 프로그램을 실험결과와 비교 분석하였다. 원패스를 이용한 밀폐식 냉각탑의 열·물질 전달 계수는 기존에 나와 있는 상관식들과 거의 모든 경우에서 좋은 일치를 보였으며, 공기입구풍속 변화와 분무수량 변화에 따른 조건에서 멀티패스인 경우 물질 전달 계수는 원패스보다 각각 최대 43%, 28% 정도 높은 값을 보였다. 기준조건에서 멀티패스의 레인지는 원패스보다 21%정도 높은 값을 보였다. 투패스와 원패스의 관 외벽과 분무수와의 열전달계수의 차이가 냉각수량이 많을 경우와 적을 경우 크게 나지 않았으나, 관내 열전달계수의 경우 냉각수량이 적을 경우 많을 경우보다 투패스일 경우가 원패스보다 146%높은 값을 보였다. EES을 이용하여 멀티 패스 밀폐식 냉각탑의 프로그램을 만들어 실험 결과와 비교하였다. 냉각수량에 따른 레인지를 계산하여 실험 결과와 비교한 결과, 실험결과와 투패스인 경우 7~13% 오차를 보여 큰 사이즈의 멀티 패스 밀폐식 냉각탑의 설계를 위한 프로그램 활용이 될 것으로 기대한다.

In recent days, a cooling tower is one of the efficient device that rejects generated heat from all most of industrial processes and air-conditioning & refrigeration systems. Cooling towers are classified into open and closed type generally. Open cooling towers expose the water directly to the atmosphere and transfers source heat load directly to the air causing the air pollution. On the other hand, closed circuit cooling tower that maintain an indirect contact between the fluid and the atmosphere and are being used increasingly due to the non pollution of cooling water or air. In a closed-wet cooling tower(CWCT), a cooling water pump consumes 60 to 70 % of total power consumption. Due to this energy consumption concerns, it is required to design the CWCT in such a way that the quantity of cooling water can be decreased. For an efficient design, one can curtail expenditure incurred by coils by reducing the quantity of cooling water. In that case, the cooling capacity could be a bit low if it is applied to typical CWCT with one path because of the velocity of process fluid in the tubes decreases. To increase the velocity of the process fluid in the tube, blocking tubes can be installed in the heat exchanger in multi path system. In the relevant literature, no results have been reported so far involving the CWCT with multi path. In this scenario, an experiment was conducted to calculate and analyze the heat and mass transfer coefficients and performance characteristics for obtaining basic data. and developing CWCT with multi path program using EES(Engineering Equation Solver) for designing of large-size CWCT with multi path. Heat and mass transfer coefficients of CWCT using one path was found to conform well to the already reported results for almost all cases considered. In the optimum level, mass transfer coefficients for variable air velocity and spray water flow rate of CWCT having Two paths are respectively about 43% and 28% higher than those having one path. The range of CWCT using two paths is nearly 21% higher than that with one path. There is no significant value differences of heat transfer coefficient, ho, between two paths and one path when cooling water flow rates is low. However, heat transfer coefficient, hi, of CWCT using two paths is 146% more higher than its using one path when cooling water flow rate is low. Temperature range and cooling capacity were calculated from simulation with EES and experiment and were compared. The comparison shows that the simulation results are generally satisfactory with experimental results. Range a function of cooling water flow rate of relative errors by simulation results are respectively 7∼13% and less than 19% when using two and one path comparing to experimental results. The results from simulation are founded to conform well to the experimental results. It is expected that the simulations of CWCT with EES serve as basic program to designing large and small-size CWCT with multi path.