스팀트랩 원인으로 발생하는 불편사례(워터해머,스톨현상,증기누출)로 인한, 증기 응축수가 발생시키는 폐해를 설명

스팀트랩의 원인으로 인한 실제 불편 사례를 바탕으로 증기 응축수가 발생시키는 폐해에 대해 알기 쉽게 설명(소개)해 보겠습니다.

 

스팀 트랩이 원인으로 일어나는 폐해 요인은 두 가지가 있습니다.

 

요인(1) : 응축수가 체류하여 일어나는 문제

요인(2) : 증기가 누설되어 일어나는 문제

 

먼저 소개 드릴 현상으로,

요인(1)의 "응축수가 체류하여 일어나는 문제"중에서도 매우 많은 고객에게서 확인되는 "워터 햄머”라는 현상을 다루어 보겠습니다. (요인(2)에 관해서는 나중에 소개)

◇ 워터햄머 실험 (동영상 중앙의 재생 버튼을 클릭) ◇

여기의 영상이 워터햄머 현상입니다.

HIC에서 재현 한 것입니다.

증기 사용시 큰 소음과 진동을 수반하는 현상을 워터햄머 현상이라고 합니다.

이 워터햄머 현상은 배관 및 지지 철물 및 증기 설비 등의 파손, 수명 저하의 원인이 됩니다.

그럼 왜 이런 현상이 일어날까요?

아래에 구체적으로 설명하겠습니다.

 

워터햄머 현상이 일어나는 원인은??

 

증기는 냉각되면 당연히, 물로 돌아가 응축수로 됩니다.

따라서 증기 관로 에는 액체와 기체가 동일 관내에 동시에 흐르게 됩니다.

액체와 기체가 흐르는 속도가 다르기 때문에 (액체는 보통 2 m/sec, 기체는 30 m/sec 정도의 속도), 관 바닥에 쌓여있는 드레인이 기체에 밀리는 형태로 파도를 발생시킵니다.

이 드레인의 파도가 점차 커지고, 결국 드레인 벽이 증기에 밀려 피팅 등에 충돌하여 큰 소리와 충격을 발생시키는 것입니다.

특히 월요일 등 업무시작 때는 증기 배관에 응축수 물이 고여 있기 때문에 발생하기 쉬워서, 밸브를 열 때 주의가 필요합니다.

※ 위와 같은 이미지로 워터햄머 현상이 일어나고 있습니다.

이 워터햄머 현상은, 증기 배관의 시공 방법을 정확하게 시행하지 않으면 반드시 발생하기 때문에, 불편 사례도 아주 많아, 아시는 분도 많을 거라 생각합니다.

 

이상이 일반적으로 널리 알려진 “워터햄머” 현상의 원인이지만, 증기 자체가 급격하게 식혀져도 워터 해머가 발생한다는 사실을 알고 계십니까?

증기는 냉각되면 드레인 화 합니다. 증기와 응축수의 비체적 차이는 1640 배입니다. 증기는 차가운 응축수에 닿으면 단번에 응축하여 증기 체적(부피)가 거의 제로(0)가 됩니다.

이 응축 과정에서 지금까지 증기로 충만 해 있던 공간은 단숨에 진공 상태가 됩니다. 이 진공 부분을 향해 단번에 드레인이 밀려 드레인끼리 부딪침에 따라 워터햄머 현상이 발생합니다.

『비례 제어하고 있는 공조용 열교환기가 정기적으로 손상된다. 』

 

이렇게 짐작 가는 것이 없으신지요?

 

이 현상은 수질에 의한 것도 많지만, 실은 아까 증기의 급속 냉각에 의해 발생하는 워터 햄머가 원인 일 가능성이 있습니다.

이 현상은 일반적으로 「스톨 현상」이 라고 불리어 지고 있습니다.

이것은 가까운 주변에서 발생하고 있지만, 잘못된 원인으로 처리되어, 결과적으로 개선하지 못하고 방치되어있는 경우가 많은 현상입니다.

 

이 아래에는 가까이 있으면서도 의외로 알려지지 않은 이 『스톨 현상』에 대해서 말씀 드리겠습니다.

 

이 내용에 관한 의견, 질문이 있으시면, 부담 없이 문의 해주시길 바랍니다.

아래에 스톨현상에 대해서 설명드립니다.

다음은「스톨 현상」에 대해서 소개 하겠습니다.

​

여러분의 공장에서. 공조 설비에서 증기식 열교환기를 사용하여. 공장 내 온도 관리를 하는 곳은 없는지요? 

또한, 생산 설비에서도 증기의 비례식 조정 밸브(CV)를 사용하고 있지 않습니까?

최근에는, 온도 제어도 엄격한 것이 요구되고 있습니다.

이에 따라 기존의 on-OFF 제어에서 온조계와 온도센서를 사용하여 비례 제어를 사용하는 곳이 많아지고 있습니다. 

이 엄격한 온도 관리를 위해 사용되는 비례 제어가, ON-OFF 제어시는 발생하지 않았던 "스톨현상”과 같은 새로운 문제를 일으킬 수 있습니다.

 

그리고, 그 대표적인 예가 "비례 제어하고 있는 공조용 열교환기가 정기적으로 파손된다”라는 사례입니다. 

우선, 이 현상을 이해하는 데 확실히 해 두어야 할 포인트가 2 가지가 있습니다.  

1. 증기의 급속 냉각에 의한 햄머(망치) 발생 원리 

2. 송기 압력과 트랩의 드레인 배출 능력의 관계 

첫 번째 포인트에 관하여는 위 상단에서 소개하였으므로, 위의 설명을 참고해 주시길 바랍니다.!

이번에는 두 번째 포인트가 되는 송기 압력 트랩 배수량의 관계를 간단하게 설명하겠습니다.

스팀 트랩은 압력 차이가 있어서, 처음 초기에는 잘 흐르게 끔 설계되어 있습니다. 

따라서, 배출 능력은 동일한 트랩이라도 입구와 출구의 압력 차이가 클수록 높아지는 것입니다.

반대로, 압력 차이가 0 또는 마이너스가 되면 아무리 배출 능력이 높은 트랩이라도 배출 불량이 됩니다.

포인트가 되는 두 가지점을 주목해서, 주제인 「스톨 현상」이란 무엇인가?를 설명해 가겠습니다.

 

공장 공조의 일부를 가온하기 위해서 증기식 열교환기를 덕트 사이에 넣어 공조하고 있다고 합시다.

열교환기에 들어가는 바로 앞에 비례식인 증기 제어 밸브(CV)가 있고, 증기 출구에는 온도 조절 트랩이 붙어있었습니다. 

처음에는 방이 차가워 져 있기 때문에 제어 밸브(CV)는 전개 상태(100% Open)입니다.

​이 상태에서는 트랩도 순조롭게 응축수를 배출하고 있습니다. 

 

점차 실내 온도도 상승하여 설정 온도에 접근하여 감에 따라서 비례 제어 밸브(CV)도 조금씩 닫혀갑니다. 이에 따라 열교환기내의 압력도 내려 가고, 결국 영 (0)이됩니다. 따라서 증기 드레인도 서서히 나오기 어렵게 되어 증기 응축수가 열교환기내에 쌓여 배출 할 수 없는 상태가 됩니다. (응축수 정체현상이 발생)

이것이 「스톨 현상」입니다.

이런 상태로 되어 버리면 열교환기의 관로가 식혀져서(차가워져) 또한 열교환기 자신도 본래의 능력을 발휘할 수 없게 되어 버립니다.

그렇게 되면 실내 온도도 내려 가기 때문에 다시 가열하려고 비례 제어 밸브(CV)가 열리게 되어 열교환기 속으로 증기 송기가 시작됩니다.

이때. 차가운 응축수 속으로 증기가 들어가는 형태가 되어, 워터 해머가 발생합니다.

또한 열교환기내에 항상 응축수가 체류하고있는 형태가 되기때문에 부식의 원인으로 이어집니다.

​이러한 반복이 열교환기의 수명을 현저하게 짧아지게 하는 것입니다.

 

스톨 현상의 폐해를 정리해 보겠습니다.

1. 열교환기내에 응축수의 체류에 의한 부식 과 열화 

2. 열교환기내 워터 햄머 현상에 의한 손상 

3. 열교환기내 응축수 체류에 의한 능력 저하 

 

스톨 현상을 방지하는 방법으로 3 가지들 수 있습니다.

1. 고정 오리피스식 스팀 트랩(O-TRAP)으로 교체 설치한다

​   →오리피스식 트랩"O-Trap"은 소비증기=드레인을 규정압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장하므로 안정적으로 응축수를 배출합니다. 

2. 기존의 트랩 사용만을 고집하는 경우에는, ​파워 트랩 및 진공 펌프로 강제로 응축수를 배출한다.

    (파워트랩은 투자비가 고가, 매년 유지보수 비용 발생)

    → 이것은 워터 햄머 현상 및 부식 방지입니다. → 이 방법으로 해결되지 못하는 곳도 많습니다. 

​ 

3. 열교환 기 및 트랩의 낙차를 300mm 이상 취한다.  (공장 환경에 따라서 불가한 곳도 있습니다)

  →이것은 낙차를 마련함으로써 차압이되어 응축수가 빠지기 쉬워지기 때문입니다.

어떻습니까. "스톨 현상"이라는 것은 그 밖에도 설계 초기에 문제가 없었지만 도, 가동 상황 변화에 따라 발생할 수 있으며, 트랩의 2차 측에 배압이 걸리는 경우 등 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다.

​이러한 현상으로 어려움을 겪고 계시다면 부디 고정 오리피스식 트랩인 "O-TRAP"으로 교체해 보시길 바랍니다. "O-TRAP"은 Orifice Sieze 의 Engineering 이 Key Point 입니다. O-TRAP은 수명이 거의 반영구적입니다.

상기 2 가지 드레인의 체류에 의한 문제에 대해 소개하였지만 다음 마지막 테마로서 트랩이 원인으로 일어나는 또 다른 요인인 "증기 누출로 발생할 문제"에 초점을 맞추어, 생산 현장의 개선을 생각, 정리해 보겠습니다.

아래에서는 증기누출로 발생할 문제에 대해서 설명드립니다.

​「증기 누출로 발생할 문제」에 대해서 소개 하겠습니다.

위에서는 트랩의 문제 중에서도 주로 “증기가 체류하여 일으키는 문제” 를 소개해 드렸습니다.

 

이번 여기에서는 또 다른 요인인 "증기누설을 일으키는 트러블(문제)" 에 대해 초점을 맞추어서 소개하겠습니다.

 

여러분들께서도 잘 아시는 사항이겠지만, 트랩이 요구되는 기능 중 하나인 "증기를 누설하지 않는다"는 기능이 있습니다.

트랩에서의 증기 누출은, 본래는 생산에 사용될 증기가 그대로 외부로 방출되는 것이므로 연료비의 증가로 이어지기 때문에 매우 아깝다고 말할 수 있습니다.

 

◇ ◆ ◇ ◆ ◇

 

증기 누출 문제를 생각하는 가운데 매우 깊게 관련되어 있는 트랩이 있습니다. 그것이 『디스크 식 스팀 트랩 (디스크 식 트랩) 』입니다.

 

그러면, 구체적으로 디스크 식 트랩에 대해서 설명해 가겠습니다.

 

아래의 사진이 디스크 트랩입니다.

그 아래에 있는 것이, 작동 원리를 나타냅니다.

구조는 트랩 중에서도 가장 간단하고, 가장 많이 사용되고 있습니다.

이미지 생김새 로서는 500 원짜리 동전이 한 개 들어 있을 뿐입니다.

특징으로는 다음과 같은 점을 들 수 있습니다.

　1. 제품이 소형이다

　2. 설치 자세가 자유이다

3. 구조가 간단 하기 때문에 손상 하기 곤란

     그러나 주목할 점은, 이 트랩의 특성으로 증기 응축수와 증기 유속 차이를 이용 하여 밸브 닫기를 실행 한다는 것입니다.

이것은 다른 말로 즉『증기를 방출하므로서, 처음으로 닫히는 구조의 트랩』입니다. 다른 트랩과 증기 누설량을 비교 하여 보았습니다.

그리고, 이 트랩을 취급하는데 있어서 중요해져 온 요소는 배압입니다.

여러분 배압 이라는 말을 들어 본 적이 있나요?

배압은, 스팀 트랩 출구에 걸리는 압력을 말합니다.

옛날에는 트랩 출구(2차측)는 대부분이 개방되어 있었기 때문에 문제가 되지 않았습니다만, 최근에는 에너지 절약의 관점에서 대부분이 보일러 실까지 응축수 회수를 하여, 급수 온도를 올리는 것이 많아 지고 있습니다 .

이처럼, 각종 생산 설비에서 나오는 응축수를 집합시키기 때문에 배관 내의 압력이 상승하여, 결과적으로 트랩에 배압이 걸려갑니다.

그럼, "디스크 트랩"에 배압이 걸리면, 어떻게 되는 걸까요?

아래의 동영상을 참고해 보시길 바랍니다

디스크 식의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 밸브 닫기는 증기 응축수 와 증기의 유속 차이를 이용하여 밸브 닫기를 하고 있습니다.

따라서, 배압이 걸리는 것에 따라 증기의 유속은 느려지고, 밸브가 닫히지 않습니다. 그리고, 그 결과 트랩에서 증기가 분출 되는 것입니다.

 

그러면, 이렇게 증기가 분출되는 것이 얼마나 손실로 이어질 것인지, 아래에 대략 계산해 보겠습니다.

 

 40 원/kg × 8 kg/h × 24 h/일 × 25 일 × 12 개월 = 2,304,000 원/년

 (1대당 8 kg/h의 누설이라 가정)

 

또한 이 분출 때문에, 응축수 회수를 실시하고 있는 급수 탱크 내의 온도가 필요 이상으로 상승하여 끓고 있는 현장을 가끔 볼 수 있습니다.

급수 온도가 80 ℃를 넘으면 급수 불가능하기 때문에, 이 상태가 계속되면, 보일러의 트러블(문제)로도 연결되어 갑니다.

 

이상, 이번의 "증기 누출로 발생할 문제」라고 하는 것으로 주로 디스크식 트랩에 초점을 맞추어 이야기 했지만, 이 트러블(문제)로 비교적 많은 것들의 염려하는 것 들이 걸려 있기 때문으로, 결코 이 트랩 자체가 나쁘다 라는 것은 아닙니다. 다른 트랩도 사용 방법 이나 설치 방법이 잘못되면 증기 누출을 일으킵니다.

중요한 것은,  "사용 용도에 맞게 적절한 트랩을 선정하여 올바르게 설치" 하라는 것입니다.

 

 

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상기 3가지 항목은, 특히 자주 묻는 스팀 트랩의 문제 사례를 발췌해 소개했습니다.

트랩의 종류, 제조 업체, 구조는 매우 많은 폐해도 다방면 때문에 너무 여기에서 전체 예제를 소개 할 수는 없습니다.

 

다만 대체로 말할 수 있는 것은,

 

1. 증기 사용에 맞춘 최적의 트랩 선정의 방식이 있으며,

2. 어떤 트랩도 채용할 때, 장점, 단점이 있으므로, 만능 트랩은 존재하지 않는다는 것입니다.

3. 최적의 트랩을 선정하여도, 설치 방법에 따라 문제를 일으킨다. 는  

이상의 3 가지입니다.

 

올바른 증기 이용을 하는데 있어서, 스팀 트랩은 중요한 장비입니다.

트랩은 그다지 눈에 띄지 않고 배후에서 자연스럽게 본연의 역할만을 수행하고 있습니다 만,

이번 기회에 여러분들의 현장에 있는 트랩들에게 한 번 주목 해 보는 것은 어떻습니까. ~~

 

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