스팀 트랩의 특성•용도•유지관리 총정리(4가지 타입 비교,고장진단방법,증기 누출량 측정방법, 누출량 계산식)

스팀 트랩의 특성 • 유지 관리

A. 스팀 트랩의 필요성

«왜、스팀 트랩은 필요한가？

▶보일러에서 증기를 생성한 후、장치・탱크・배관 등의 증기 사용장치로 이송되는 이송배관에는 충분한 보온을 실시하고 있어도、증기의 열은 배관표면에서 대기로 방출되어 버립니다.

이 방열에 의해 증기의 일부분은 자신의 열에너지를 잃고 、응축하여 드레인（응축수）가 됩니다.

이 응축된 응축수가 배관내에 체류해 가면、증기의 통로가 막히기도하여 다양한 문제가 발생합니다. 대표적인 것으로는 워터햄머에 의한 증기배관의 손상 등을 들 수 있습니다.

증기가 이송된 설비에서는、피가열물에 열이 전해지면、증기 열에너지는 방출되어、응축되면서 응축수가 발생해 체류합니다. 이 응축수가 배출되지 않으면 가열에 시간 이 걸릴 뿐 아니라、응축수 체류가 넘치면 가열할 수 없게 됩니다.

또한、증기배관 통기(通気)를 시작할 때、관내를 가득채운 공기나 불응축 가스가 말단까지 억지로 밀어 넣어집니다.  이 공기가 피가열물의 증기공간에 유입하면、증기의 열전도율은 현저하게 떨어져서 열효율 저하가 동반됩니다.

«스팀 트랩의 필요성을 정리하면 다음의 ３가지를 들 수 있습니다.

   １. 발생한 응축수를 발생 즉시 배출할 것

   ２. 증기를 누설하지 않을 것

   ３. 초기 공기나 불응축 가스를 배출할 수 있을 것

B. 스팀 트랩의 분류

     스팀 트랩은、사용 용도에 따라서 여러 종류의 제품을 사용합니다.

     그 스팀 트랩의 작동 원리로부터、3 종류로 대별됨을 알 수 있습니다.

      １. 기계식 스팀트랩 （프리 플로트 식）

   ２. 서모 스타틱 스팀트랩 (온조식･･･바이메탈식)

   ​３. 서모 다이나믹 스팀트랩 (디스크식, 오리피스식)

B-1-1 기계식 스팀트랩 （프리 플로트식）

      기계식 스팀트랩은 증기와 응축수의 비중차이로 작동합니다. 즉、응축수가 스팀트랩 속으로 유입해 쌓여지면、플로트가 상승하여 밸브를 열고 응축수를  배출합니다.

​응축수가 없어지면 플로트가 침강하여、증기가 새기 전에 밸브를 닫습니다.

B-1-2 프리 플로트식: 작동원리

​ⓐ 본체내부에 응축수 물이 유입되면、플로트는 서서히 회전하면서 밸브시트에서 떠오릅니다.

  밸브 닫는 힘（증기압력Ｐ×배출구면적Ａ）＜부력 이라면 플로트는 떠오릅니다.

 ⓑ 응축수 배출이 감소해 오면、부력도 감소하기 때문에 배출구는 닫히게 됩니다.

     ​응축수 배출구도 물로 봉인되어 있기 때문에 증기 누설 없습니다 

 

B-2-1  서모 스타틱 스팀트랩 (바이메탈식)

     서모 스타틱 스팀트랩은 증기와 응축수의 온도차를 이용하여 작동합니다. 이 온도차를 감지하는 감온체(感温体:엘레멘트）로、증기 식 과 바이메탈식 으로 대별할 수 있습니다.

서모 스타틱 스팀트랩의 대표적인 트랩이  바이메탈식 트랩이기 때문에、다음 항에서 바이메탈식 스팀트랩에 대해서 설명드리겠 습니다.

B-2-2  바이메탈의 작동원리

    바이메탈 판은 아래쪽 그림처럼 팽창계수가 다른 2개의 금속 을 접착하여 만들어 집니다. 바이메탈 판은 가열되면  열팽창계수가 높은 금속이 낮은 금속보다 크게 팽창하는 성질을 이용하여、가열될 때 생기는 힘을 이용하여 밸브의 개폐 동작에 이용합니다.

     

일반적으로 가장 많이 사용되고 있다고 가정한 스팀트랩은 아래 그림인 바이메탈식 온조 스팀트랩입니다.   

   ​

통기(通気)개시때의 관내는 온도가 낮은 공기 등이 트랩 내에 있어、바이메 탈은 완곡하지 않고 밸브본체는 밸브 시트에서 떨어져 있으므로、공기는 밸브구멍을 통해 배출됩니다. 계속해서、저온 응축수 도 같이 배출되지만 응축수 수온이 상승 (응축수량 감소에 따른 온도 상승)해 오면、바이메탈은 가열되는대로 완만하게 구부러져 오므로、밸브본체는 밸브시트 방향으로 눌려서 결국 닫힙니다.

 

B-3-1  서모 다이나믹 스팀트랩 (디스크식)

    디스크식 스팀트랩의 대표 적인 구조는 아래와 같습니다

본체・밸브시트・디스크밸브로 구성되어 밸브시트는 외륜과 내륜의 동심모양(同芯状)의 형상으로 되어 있습니다.

 

 

 

 

    

B-3-2   디스크식） 작동원리

    증기가 대상 장치에 송기되면、저온 드레인 이나 공기가 스팀트랩에 저속으로 밀립니다.

이들이 스팀트랩에 유입하여、디스크밸브를 밸브 시트로 부터 떨어지도록 밀어 올려 출구에서 배출됩니다.

     ​ 

응축수 배출이 끝나고 증기가 스팀트랩으로 유입해오면、이증기가 고속으로 디스크 아래 쪽의 방사상(放射状) 으로 흐르기 시작과 동시에 디스크 밸브가 밸브시트로 향해 내려 가기 시작합니다.

     
    

Ø왜、디스크 밸브는 내려 가는가

드레인의 배출이 끝나고 증기로 대체하면 디스크밸브의 아래를 흐르는 증기의 속도는 드레인보다 빨라지므로、저속 영역이 되어、디스크밸브는 밸브시트에 가라 앉힙니다. 또한、증기는 디스크밸브의 가장자리를 따라 변압실로 돌아 들어 갑니 다.

변압실에 증기가 돌아 들어가면 변압실내의 압력이 상승하고、디스크밸브는 닫힙니다.

아래의 그림처럼 폭이 좁은 종이 한쪽을 가지고 입술을 가까이 그 종이의 표면을 불면、처진 종이가 일어나、 거의 똑바로 수평상태가 됩니다. 공기를 불기 전에는 대기압이 종이 표면・뒷면  양면에 균일하게 작용하고、이 종이는 자신의 무게로 아래로 쳐집니다.

 

 

 

    

공기를 분사하면、그 공기는 고속으로 종이 표면을 통과 하고、거기에 저압 영역이 발생합니다. 이때、종이의 뒷면에 는 대기압이 작용한 상태이므로、뒷면은 표면보다 고압이 되어 종이는 위로 밀어 올려 수평하게 됩니다..

    

B-4-1  오리피스식 스팀트랩 （고정 오리피스식）

고정 오리피스식 스팀트랩의 대표 적인 구조는 아래와 같습니다.

구멍 (오리피스) 만이 있을 뿐으로, 연속적 으로 드레인을 배출하며, 그 구멍을 개폐 하기 위한 움직이는 구조는 일절 없는 궁극적인 단순 구조입니다.

증기사용 설비와 배관에서 발생하는 최대 드레인량에 대한 Orifice·System을  설계 하여 구멍사이즈 선택 한다면, 드레인량이 대폭으로 변동하여도, 종래의 Steam Trap 이상으로 증기 누출하는 일 없이 적절하고 신속하게 대응하여 드레인 지연 없이 연속 배출 합니다.

 

 

    

오리피스 트랩의 특징  

​

①작동하는 부분이 없기 때문에 열화하지 않고 초기 성능은 ２０년 이상 유지됩니다

②수명은 반영구적이며 정기적인 교체가 필요 없어 Maintenance Free 가 됩니다

③Water Hammer(워터해머) 현상이 해소 함과 동시에 열효율이 향상됩니다

④흐름 방향 이외에 설치 제약이 없이、세로 가로 대각선(縦横斜)자유 자재로、아래에서 위로도 흐르게 할 수 있습니다.

 

오리피스 작동 원리 

오리피스를 통과하는 증기는 드레인에 비해 오리피스를 통과하는 양이 적다는 성질을 이용하고 있습니다. 액체가 오리피스로부터 유출되는 양은 그 액체의 종류, 오리피스 구경 및 오리피스 전후의 압력 차에 의해 결정되며, 그 이론 유량 계산식은 오리피스 유량계 등에서 공지하는 바와 같습니다.

예를 들어, 직경 5mm의 오리피스 구멍에서 전후의 압력 차 0.1MPa (1Kg/c㎡) 조건에서, 드레인 100%가 흐른 경우, 587.5kg/h의 응축수가 배출되며, 증기 100%가 흐른 경우 21kg/h 의 증기가 배출 됩니다. 즉 증기 만이 흘렀다 하더라도, 이 조건하에서 증기의 유출량은, 드레인의 유출량의 3.6% 밖에 흐르지 않습니다.

 

 

 

 ◈  오리피스를 통과하는 드레인 량과 증기량의 비교

 　  드레인 량과 증기량의 계산

​

​

직경 5mmφ 의 오리피스 구멍에서 전후의 압력 차 0.1MPa (1kg/cm2)의 조건에서,

​응축수 100%가 흐른 경우, 587.5kg/h의 응축수가 배출되며,

증기 100%가 흐른 경우 21kg/h 증기가 배출 됩니다.

​즉 증기만이 흘렀다 하더라도 이 조건에서 증기의 유출량은 응축수 유출량 의 3.6% 밖에

흘러나오지 않은 것 입니다.

① 오리피스 에서 드레인（액체）이 배출된 경우

     

 

        Ｑ=π×d²／4√2g△Pg×3600×1000×Ｋ  

           Ｑ  ：   유량 （ ｍ³／S）             

            d   ：   오리피스의 직경（ ｍ）         

         △P ：   차압（ｋｇ／cm²）               

          Ｋ  ：    유량계수（＝0.6）  

   직경 ５mm의 오리피스에서 차압 １ｋｇ/cm²G에서 드레인이 배출되면 위 식으로 부터  587.5 kg/h 이 됩니다.

②오리피스에서 증기（기체）가 배출된 경우

    

  Ｇ=0.562× d ²×√Ｐ／Ｖ

        Ｇ  ：   분출증기량 （ｋｇ／ｈ）

         d   ：   오리피스의 직경（ mm）

       Ｐ  ：   절대압력（ｋｇ／cm²）

       Ｖ  ：   증기 대비 용적（m³／ｋｇ）

같은 오리피스에서 증기가 배출되면 위 식으로 부터  21ｋｇ/ｈ 이 됩니다

③배출되는 드레인과 증기의 비교

  드레인의 경우   ：   587.5 kg/h

  증기의 경우    ：      21  ｋｇ/ｈ 

같은 오리피스에서도 증기(기체)가 유출된 경우는、 드레인(액체)이 유출했을 때 보다、 같은 조건하에서도 약 ３.6％ 밖에 유출되지 않습니다

이 유출 특성의 차이를 이용한 것이 오리피스 트랩의 특징이며, 원리입니다.   따라서、

​오리피스를 나온 증기는 감온 감압된 드레인으로 되기 때문에 워터햄머도 일으키지 않고、 Erosion도 발생하지 않습니다.

                    

 

C. 증기를 사용하는 설비의 문제점

➀워터 햄머

​

증기주관에서 응축수가 체류하는 장소가 있거나、체류하는 구조이거나 하면、급격한 증기 사용량 증감을 하면、응축수의 덩어리로서 단번에 밀려 흐르기 시작 합니다.

이 응축수의 흐름은、배관내의 장애물（밸브・스트레너 등등 흐름의 장애가 되는 것）에 충돌할 위험이 있습니다.

이러한 현상을 워터햄머라 부르며、강력한 배관 및 밸브에 조차도 상당한 충격을 주고、손상을 동반하는 경우도 있으므로、급격한 증기의 증감을 하지 않음과 함께、응축수의 체류가능성이 있는 장소에 연속 배출형의 스팀트랩을 선정합니다.

➁　에어 바인딩（공기장애）와 공기제거

증기사용설비가 정지하면、증기사용설비 및 증기 이송배관내를 차지하고 있던 증기가 응축하여、그 압력은 대기보다도 낮은 부압까지 내려갑니다.

​이로인해、증기 대신 공기가 플랜지 가스켓、느슨한 밸브패킹、유니온 등에서 흡입하여、증기사용설비 및 증기이송배관내를 채웁니다.

​해당 설비가 다시 통기(通気)할 때에、이 공기가 체류하고 있으면、필요온도까지 상승하지않는 문제가 생깁니다.

D. 스팀트랩의 유지관리 항목 

 

 

▶ 스팀트랩의 고장진단

  ① 육안 진단 방법

        스팀트랩의 출구배관을 대기로 개방하여、응축수 배출상태를 감시하여、그 작동상태를 어느 정도 판단할 수 있습니다.　

    ​    특히 간헐작동하는 스팀트랩에서는 이 방법이 상당히 유효합니다.

        ◎ "디스크식 스팀트랩”은 개폐가 명확하기 때문에 알기 쉽지만、"프리 플로트" 나 “바이메탈식” 등의 연속배출형 에서는 진단하기 어렵습니다.

①-ⓐ. 육안에 의한 작동상태 확인 （정상작동） 

 

 

 

①-ⓑ. 육안에 의한 작동상태 확인 （누설）

 

 

​①-ⓒ. 육안에 의한 작동상태 확인 （용량부족）

①-ⓓ. 배수구에 드레인 배출 예

​

   ② 써모 그래피 (Thermography) 조사

​       써모 그래피：적외선 카메라를 사용하여 물체의 표면 온도를 측정하는 방법

​       피사체에 특정 카메라를 향해 셔터를 누르면 물체의 표면이 흰색－적－황－녹색－파랑 등의 색상으로 분류된 온도 분포를 면(面)에서 파악한 이미지(画像)가 잡힙니다. 흰색이 가장고온에서 순차적으로 저온이 됩니다.

       트랩 입구와 출구의 색상을 비교하여、증기 누출 상태가 그 자리에서 확인할 수 있습니다. 이 방법은、현장에서 카메라 셔터를  누르는 것 만으로、그 자리에서 물체의 표면 온도가 색 분류 표시되어、눈으로 보고 확인할 수 있어、매우 편리한 유용한 방법이지만、안타갑게도 증기가 새고있는 것인지의 여부의 판별만으로、증기의 누출량을 정량적으로 측정 할 수 없습니다. 

​

③증기 응축수 포집 테스트에 의한 조사 (증기 누출량 측정 방법)

​         증기 손실을 양적(量的)으로 파악.

​         트랩 교환으로 달성할 수 있는 에너지 절약 여지를 알수 있습니다!

         증기 응축수 포집 테스트에서는、증기 설비에서 발생하는 손실을 응축수 중의 열량을 분석하여 확실하게 파악할 수있습니다. 설비 개선 공사 전에 비용 대비 효과를 확인 하려면 응축수 포집 테스트가 유효합니다.

      ◆ 증기 응축수 포집 테스트 에 의하면, 정량적으로 증기의 누출량을 측정합니다

          용기에 약１０～２０ℓ 의 물을 넣고、물량(水量)・물온도(水温)을 측정 합니다.
​          스팀 트랩의 배출구에서 나오는 드레인과、누출된 증기의 두가지 유체(二相流体)를 물속(水中)으로 인도해서 모든 량을１～３분간 물에 흡수시켜줍니다. 작업 종료 후 물량(水量) 및 물의 온도(水温)을 측정합니다. 이러한 데이터를 소정의 계산식에 입력하면、증기의 누출량을 정량(定量) 할 수 있습니다.

      ◆ 증기 누출량 계산식

 

           

여러분들의 현장에서 아래 방법으로 트랩들로부터 포집을 실시해 위의 식으로 계산하면 해당 트랩의 정상여부 및 누출이라면 현재 얼마만큼의 생증기를 누출시키고 있는가를 양적(量的)으로 파악할 수 있을 것입니다. 오리피스 트랩을 설치 후, 이와 같이 포집테스트를 하여 설치한 오리피스 의 설계가 정확히 제대로 되었는지도 확인할 수 있습니다. 이런 테스트를 통하여 5년, 10년, 15년, 20년... 기간별로 체크하여 초기성능 그대로 인지를 확인하는 것입니다. 기존트랩들도 이방법을 활용하여 누출여부를 양적(量的)으로 판정할 수 있습니다.

※실례로서, 모 음료 회사에서는、포집시간 ３분에서、20Ｌ의 물이 20.7Ｌ、물온도(水温)가 17.4℃에서 39.3℃、１시간 당 누출량은 14.2㎏/ｈ로、트랩1대가 년간 약500만원을、누출하고 있는 장소가 있었습니다.

          

 

 

E. 각종 스팀트랩의 특성 

종류	이점	결점	용도
프리 플로트식 스팀 트랩	마모 나 걸림의 원인이 되는 링 기구없어、고장 나기 어렵다. 응축수량과 압력의 변화에 관계없이、응축수를 체류하지 않고 배출합니다. ３ 가지 지지기구에 의해、과열 증기 주관에도 사용 가능	매우 격렬한 워터 햄머로 、프리 플로트가 손상 받을 가능성이 있다. 동결에 의해 손상 받을 수 있다 ​ ​ ​ ​ ​ 수 있다.	증기 주관 용 최대 효율을 필요로 하는 열교환기 및 증기사용 라인 극소 드레인용
바이메탈식　　스팀 트랩	소형 이다 공기를 효율적으로 제거한다 워터햄머에 강하다	조절이 필요 드레인은  증기온도 이하의 매우 낮은 온도로 냉각될 때 까지 체류한다 드레인양 변화에 대한 반응이 둔하다 배압의 영향을 받는다	저온 트레이스용 계장 드레이스용 에어 벤트 ​ ​ ​ ​
디스크식 　　　스팀트랩	콤팩트하고 견고한 구조로、워터햄머 나 동결에 강하다 스팀트랩의 크기에 비해서、높은 배출 능력을 갖는다 폭넓은 압력에서 ​ ​작동한다	입구 압력이 매우 낮을 때에는 사용할 수 없다 배압이 입구 압력의 50% 이상일 때는 정상적으로 작동하지 않는다 비 나 눈 등으로 냉각되기 쉬운 사용 조건에서는、작동 사이클이 짧아져 증기의 유출량이 증가한다	증기 주관용 (특히,고압 및 과열증기) 증기 트레이용
고정오리피스식 　　　스팀트랩	오리피스(구멍)에 의해 연속배출 하므로 、 ​워터햄머 나 동결에 강하다     단순 구조로 작동 하는 부위가 없고, 고장 날 부분이 없어 내구성 20년 이상 동반 증기 누출이 거의 없음 유지 보수가 거의 불필요 함	•사용조건에 맞는 오리피스 구경 선정이 필요 •최대 드레인 발생량을 알아야 함	최대 효율을 필요로 하는 열교환기 등 거의 모든 증기 사용 라인 증기 주관용 (특히, 고압 및 과열증기) 증기 트레이스용 극소 드레인용

F. 스팀트랩의 노화에 따른 스팀누출 관계그래프 

​

​고정 오리피스식 트랩의 경우, 아래와 같은 큰 메리트도 있습니다.

 

상담 문의 ;

Tel     :   070-7747-8290

E-Mail :  tjchung@naver.com 

홈페이지: http://k.o-trap.cn