Steam Counseling - Ⅱ
■ 증기를 이용하는 건조기에서 스팀 트랩의 역할이 매우 중요합니다.
(Correlation Between Steam Dryer and Seam Trap)
(일반 식품, 농산물, 수산물, 슬러지, 슬러리, 폐기물 등 증기를 사용하는 어떤 건조기 이든지 스팀 트랩은 매우 중요한 부품입니다.)
다른 유체에는 없는 증기가 가진 특성의 잠열, 응축열을 충분히 이용하여 다른 열매체인 온수, 기름, 열풍 등의 몇 배의 열효율을 도출합니다. 증기 본래의 능력을 발휘하기 위한 필수적인 부품이 바로 스팀 트랩이며, 스팀 트랩의 적절한 선정과 배치, 설치를 행하는 것은 증기를 이용하는데 있어서 매우 중요합니다.
스팀트랩의 원인으로 인해 발생하는 ①스톨현상, ②워터해머, ③증기누출 이 있으며, 이러한 발생으로 인하여 트랩과 응축수가 발생시키는 문제점에 대해 소개하겠습니다.
혹자들은 증기 건조기(Steam Dryer)에서 스팀트랩으로 인한 문제 발생들을 인식하지 못하고, 증기 배관 시스템 문제로 몰고 가거나 혹은 건조기 문제로 몰고가는 안타까운 사례들을 자주 접하고 있어서 이렇게 "증기 건조기 와 스팀트랩의 역할관계"라는 제목으로 정리하게 되었습니다. 증기를 열원으로 하여 건조기를 가동하고 있는 분들께서 이 내용을 참고하면 문제해결에 도움이 될것입니다.
■ 스팀 트랩 (영어 : Steam Trap 증기 트랩) 이란.
증기배관 및 증기사용 설비에 쌓인 응축수 (드레인)를 자동으로 배출하는 밸브로서 응축수를 배출하면서 증기는 누설시키지 않습니다.
A. 스팀 트랩의 필요성
1. 가능한 한 증기를 누출하지 않고 드레인 만 즉시 배출시킨다
증기 발생장치, 보일러에서 발생시킨 증기는 증기 배관을 통해 장비, 탱크 등 다양한 곳으로 옮겨 사용됩니다.
그 증기를 운반하는 증기 배관은 충분한 보온을 실시하더라도, 증기의 열 중 일부는 배관 표면에서 외부, 대기로 방출됩니다. 이 방출, 방열에 의해 증기 자신의 열 중 일부를 빼앗겨 응축 드레인 (응축수)로 변화합니다.
또는 증기가 실려 가열 장치 등의 설비는 피 가열 물에 열이 알려 지자 증기의 열 방출되어 응축 된 응축수가 발생합니다. 이 드레인은 즉시 배출되지 않으면 체류하여 증기 통로가 막혀 옮겨갈 수가 없어져, 가열에 시간이 걸리게 되거나 또는 가열 자체를 할 수 없게 될 가능성이 될 수도 있습니다.
가능한 한 증기는 누출없이 드레인 만을 즉시 배출하여, 양질의 건증기 상태로 운반되어, 증기 본래가 가지고 있는 즉, 다른 매체에는 없는 큰 열에너지를 마음껏 사용할 수 있습니다.
2. 공기나 불응축 가스만을 배출시킨다.
증기 배관에 증기를 운반 시작할 때, 증기를 통과 개시 시에는, 배관 내를 가득 채우고 있는 “공기나 불 응축 가스”가 증기가 통과함에 따라서 말단까지 밀어 넣어 지게 됩니다. 이 공기, 가스 가열 장치 내의 증기가 통과하는 배관 내에 들어가 배출되지 않으면 증기 통로는 막혀 운반할 수 없게 또는 공기, 가스를 통해 열을 전달하게 되어 열전도율 나아가 열효율이 현저하게 떨어집니다.
가능한 한 증기는 누출하지 않고 공기와 불 응축 가스 만을 즉시 배출시킴으로서, 증기 본래가 가지고 있는 다른 매체에는 없는 큰 열에너지를 마음껏 사용할 수 있습니다.
아래 사진의 대용량 트랩(O-TRAP EL)은 석유화학Plant,옥수수가공Plant, Meat 엑기스 농축Plant, 맥주 공장 등 수많은 실적있음
B. 열원 증기 및 발생한 응축수 회수 재사용에 관하여
증기 건조기(Steam DRYER)의 건조 열원은 일반적으로 포화 증기만으로 전도전열 과 열풍 병용으로 이루어 지며, 증기 압력은, 건조 조건에 따라 증기 압력의 변화 즉 건조 온도의 조정은 쉽게 수행 할 수 있습니다. 포화 증기는 일반 공장에서는 일반적으로 이용되고 있으며 취급에 익숙해 간편한 열원이라고 말할 수 있습니다.
포화 증기는 특유의 특징이 있습니다. 증기 압력의 변경에 따라 증기 온도가 변하기 때문에 건조 온도의 조정을 간단하게 합니다. 또한 응축열, 잠열을 이용할 수 있기 때문에 온수, 기름 등의 현열 이용과 비교하면, 열량이 2 ~ 5 배로 건조에는 최적의 열원이라 할 수 있습니다.
포화 증기는 건조 후 응축수로 되지만, 그것은 회수할 수가 있어, 증기 발생장치인 보일러에 공급 온수로 재이용하면 연료비 등 유지비가 저렴하게 됩니다.
C. 증기 건조기에서 스팀 트랩의 원인으로 발생하는 문제점
그럼,스팀트랩의 원인으로 인한 실제 발생사례를 바탕으로 증기 응축수가 발생시키는 폐해에 대해 설명(소개)해 보겠습니다.
스팀 트랩이 원인으로 일어나는 폐해 요인은 두 가지가 있습니다.
요인(1) : 응축수가 체류하여 일어나는 문제 → "워터 해머”, "증기 스톨” (이게 건조기 가동에 있어서 가장 큰 문제임)
요인(2) : 증기가 누설되어 일어나는 문제 → “증기 누설로 인한 에너지 손실” (이건 원단위 절감 문제로 매우 중요한 내용임)
요인(1)의 "응축수가 체류하여 일어나는 문제"중에서도 매우 많은 고객에게서 확인되는 ①"워터 해머”, ②“증기 스톨”이라는 현상에 대해 소개하겠습니다.
요인(2)에 관해서는 마지막 부분에서 소개하도록 하겠습니다.
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◆ ① 증기 스톨 현상 (STALL)에 대해
증기에서의 스톨현상 문제는 스팀 트랩 전후의 압력 차가 없어져 스팀 트랩에서 응축수(드레인)가 배출되지 않고, 트랩 이전의 배관인, 열교환 기 내에 응축수가 체류 해 버리는 현상입니다.
스톨 현상이 발생하면, 예를 들어 열교환 장치의 경우, 장치 내에 응축수(드레인)가 체류하여 아래와 같은 현상이 일어납니다.
▶워터 해머 (스팀 해머)의 발생
▶드레인 체류에 의한 부식, 열화(노화)
▶열교환 장치의 온도가 균일하지 않게 되어, 열교환 장치의 능력이 저하
그럼 왜 스톨 현상이 발생할까요?
증기에서 열 교환 후는 스팀 트랩에서 온수인, 드레인으로서 배출합니다. 이 스팀 트랩 자체는 흡입 또는 압송하는 것이 아니라, 트랩의 입구 측 1차 측과 트랩의 배출 측, 2 차측의 압력 차를 이용하여 증기를 응축수로서 배출합니다. 따라서 트랩이 정상적으로 작동하기 위해서는 트랩 1 차측 압력은 2차 측 압력보다 높아야 합니다. 따라서 드레인의 배출 능력은, 같은 트랩을 사용한다고 해도 입구 측과 배출 측의 압력 차이가 클수록 높아집니다. 반대로, 압력 차이가 0 또는 마이너스가되면, 어떤 트랩에서도 응축수가 배출되지 않게 되어, 열교환 장치 내에 응축수가 체류하고 맙니다.
예를 들어, 열교환 장치(건조기 든, 가마솥, 농축관 등)에서 온도 제어 밸브(CV)가 사용되는 경우는 운전 중에 입구 측과 배출 측의 압력 차이가 역전되어 버리는 일이 있습니다. 증기 열교환 장치의 온도 제어는 증기의 압력을 조정함으로써 행해 집니다. CV제어에 의해 증기 투입 측의 압력이 내려감에 따라, 트랩 입구 측과 배출 측의 압력 차는 감소하여, 응축수(드레인)가 배출되기 어렵게 됩니다. 증기 투입 측의 압력이 0까지 내려 가면 압력 차가 없어져, 드레인은 배출되지 않고 열교환 장치 내에 체류합니다.
이 상태에서 증기 투입 측의 압력이 올라 가게되면 장치 내에 체류하고있는 응축수 내로 증기가 투입되게 되어가는 것으로 이때 워터 해머(수격) 현상이 발생합니다.
최근에는, 온도 제어도 엄격한 것이 요구되고 있습니다. 생산 설비(건조기, 공조기 등 증기식 열교환기)에서 증기의 비례식 조정 밸브(CV)를 사용하고 있습니다.
이 엄격한 온도 관리를 위해 사용되는 비례 제어가, ON-OFF 제어시는 발생하지 않았던 "스톨 현상”과 같은 새로운 문제를 일으킬 수 있습니다.
그리고, 그 대표적인 예가 "비례 제어하고있는 공조용열교환기가 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 아래 하단②-1에서 소개하였으므로, 그 곳의 설명을 참고해 주시길 바랍니다.!
스팀 트랩은 압력 차이가 있어서, 처음에는 어떻든 흐르게끔 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 보겠습니다.
건조기를 가온하기 위해서 증기식 열교환기에 증기를 공급하고 있다고 합시다.
열교환기에 들어가는 바로 앞에 비례식인 증기 제어 밸브(CV)가 있고, 증기 출구에는 온도 조절 트랩이 붙어있습니다.
처음에는 건조실이 차가워 져 있기 때문에 제어 밸브(CV)는 전부 개방 상태(100% Open)입니다.
이 상태에서는 스팀 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 열교환기 내에 쌓여 배출 할 수 없는 상태가 됩니다.
이것이 「스톨 현상」입니다.
※ 이런 상태로 되어 버리면 열교환기의 관로가 식혀져서(차가워져) 또한 열교환기 자신도 본래의 능력을 발휘할 수 없게 되어 버립니다.
그렇게 되면 건조기 내부 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 열교환기 내에 항상 응축수가 체류하고 있는 형태가 되기 때문에 부식의 원인으로 이어집니다.
이러한 반복이 열교환기의 수명을 현저하게 짧아지게 하는 것입니다. ※
스톨 현상의 폐해를 다시 한번 더 정리해 보겠습니다.
1. 열교환기내 응축수의 체류에 의한 부식 과 열화 (노화)
2. 열교환기내 워터 햄머 현상에 의한 손상
3. 열교환기내 응축수 체류에 의한 건조능력 저하
이런 현상은 증기 건조기(Steam Dryer), 증기 열교환기(Steam Heat Exchanger), 가마솥 등 증기를 사용하는 장치에서 줄 곹 발생하는 현상이기도 합니다.
※ 스톨 현상을 발생시키지 않는 대책(3가지) 은 아래와 같습니다.
① 고정 오리피스식 스팀 트랩(O-TRAP)으로 교체 설치한다
→ 오리피스식 트랩 "O-Trap"은 소비증기=드레인 을 규정 압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장하므로 안정적으로 응축수를 배출합니다.
② 기존의 트랩 사용만을 고집하는 경우에는, 파워 트랩 이나 진공 펌프 등으로 강제적으로 드레인을 배출한다. → 이 방법으로 해결되지 못하는 곳도 많습니다.
③ 열교환기 와 스팀 트랩의 낙차를 300mm 높이의 차이가 나도록 설치 합니다.
(공장 환경에 따라서 불가한 곳도 있습니다)
→ 이것은 낙차를 마련함으로써 차압이되어 응축수가 빠지기 쉬워지기 때문입니다.
"스톨 현상"이라는 것은 그 밖에도 설계 초기에 문제가 없었더라도, 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.
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◆②-1 증기 응축에 의한 워터 해머 (스팀 해머)
증기의 워터해머 (스팀 해머)의 현상은 다음 두 가지가 있습니다.
ᆞ증기가 응축 드레인끼리 충돌하여 일어나는 워터 해머
ᆞ드레인이 충돌하여 일어나는 워터 해머
■ 증기가 응축하여 드레인끼리가 충돌하여 일어나는 워터 해머 (스팀 해머)에 대해서
증기는 방열해 식으면 드레인화 합니다. 증기가 차가운 응축수에 닿으면 증기와 응축수의 비 체적 차이는 1000 배 이상 있기 때문에, 증기는 단번에 응축해 증기 체적이 거의 제로가 됩니다.
이 응축 과정에서 지금까지 증기로 충만 해 있던 공간은 일시적으로 진공 상태가되고, 이 진공 부분을 향해 드레인이 밀려 드레인끼리 부딪치면서 워터 해머 (스팀 해머)가 발생합니다.
차가운 응축수와 증기가 혼재하는 환경이 가장 워터 해머가 발생하기 쉽다고 말할 수 있습니다. 응축수 회수 배관 경로의 환수관 등은 그런 상황 인 경우가 많습니다, 그 이외의 증기 수송 배관 또는 증기 열교환 장치 내에서도 증기 응축에 의한 워터 해머가 발생할 수 있습니다.
워터 해머의 발생 빈도는, 실제는 드레인 충돌보다 증기 응축이 원인 인 경우가 많다고 합니다.
대책으로는 가능한 한 증기의 진행 측을 향해 내리막 구배의 배관을 설치하며, 증기의 역류를 방지 또는 스팀 트랩 이후의 2 차측 압력을 줄이는 등 그 원인에 맞춘 대응이 필요합니다.
응축에 의한 워터 해머의 원인의 하나로 스톨 현상이 있습니다.
이것은, 스팀 트랩 전후의 압력 차가 없어져 스팀 트랩으로부터 응축수가 배출되지 않고 트랩 이전의 배관, 열교환기 내에 응축수가 체류 해 버리는 현상입니다. 스톨 현상에 대해서는 본 문장 바로 앞에서의 설명을 참조하길 바랍니다.
■ 드레인이 충돌하여 일어나는 워터 해머 (스팀 해머)에 대해
증기 배관의 밸브를 열면 캉캉 높은 소리가 날 수 있습니다. 이것은 워터해머 (스팀 해머)에 의해 발생하는 소리입니다.
증기 배관 속에서 증기는 캐리오버 나 방열 등에 의해, 물, 드레인을 가진 그 드레인은 스팀 트랩에서 완전히 제거해야 합니다.
원래 보일러에서 발생 된 증기에는 약간의 수분이 있는 데다, 캐리오버의 경우도 있습니다. 증기가 보일러에서 발생되면, 열을 잃기 시작하며 배관 내에서 응결이 시작됩니다. 이것은 장치가 식어있는 시동 시에 특히 많아집니다.
증기에 물이 포함되어있다라는 것은, 증기 배관 내에는 액체와 기체가 동일 관내에 동시에 흐르게 됩니다.
그 액체와 기체가 흐르는 속도가 다르기 때문에, 증기 배관내의 물, 드레인 과 드레인 덩어리가 기체에 밀리는 형태로 파도(波)를 발생시킵니다.
이 드레인의 파도가 점차 커져서, 증기에 밀려 배관의 구부러 진곳, 밸브 등에 충돌하여 큰 소리와 충격을 발생시킵니다.
워터 해머는 배관, 밸브 등의 수명을 단축시킬 가능성이 있고, 경우에 따라서는 배관의 균열, 밸브의 손상등을 일으킬 수 있습니다.
워터 해머가 발생하지 않도록, 증기 수송 관 도중에 스팀 트랩을 설치하는 등의 대책이 필요합니다.
◆②-2 캐리 오버 와 워터 해머 (스팀 해머)
■ 캐리 오버
보일러에서의 캐리 오버는, 보일러에서 증기가 발생하는 과정에서, 보일러 내의 물이 증기와 분리되지 않고 혼입 보내어지는(발송되는) 현상을 말합니다.
이 캐리오버에 의해 증기로 가열하고 있는 장치는 전열능력이 낮은 물이 혼입하여, 증기의 질이 저하하여 가열 효율이 저하됩니다. 또한, 증기 배관 내에 물이 혼입하게 되면, 워터해머 (스팀 해머)의 발생, 열교환기의 부식 등을 일으킬 수 있습니다.
대책으로서는 캐리 오버를 발생시키지 않는 것은 물론, 증기 배관 중의 수분을 최대한 제거하는 것이 중요합니다.
이 캐리 오버의 발생은, Priming 과 Forming 성형의 두 가지 요인이 있습니다.
Priming | |
현 상 | 보일러 내의 물이 심하게 끓어서 수위가 너무 높아져, 물방울이 튀어 증기에 혼입합니다. |
대 책 | 보일러의 부하를 급격하게 변화시키지 않는다. 보일러의 수위를 적정하게 유지한다. 보일러 기동 때, 증기 밸브를 가급적 천천히 연다. 혹은 수위가 너무 높지 않도록 하는 등의 대책이 필요합니다. |
Forming | |
현 상 | 보일러 물중의 불순물에 의해 수면에 거품이 생기는 현상입니다. 보일러 물이 고농축ᆞ고 알칼리 시에 일어나기 쉬운 거품 현상입니다. |
대 책 | 보일러에 공급하는 물 모니터링 또는 적정량의 보일러 블로우 등의 대책이 필요합니다. |
『비례 제어하고 있는 공조용 열교환기가 정기적으로 손상된다. 』 이렇게 짐작 가는 것이 없으신지요?
이 현상은 수질에 의한 것도 많지만, 실은 아까 언급한 증기의 급속 냉각에 의해 발생하는 워터 해머가 원인 일 가능성이 있습니다.
이러한 현상이 일반적으로 「스톨 현상」이 라고도 불리어 지고 있습니다.
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◆③ 트랩에서 증기 누출 발생한다면~
트랩에서의 증기 누출은, 본래 생산에 사용될 증기가 사용되지 못하고, 그대로 외부로 방출되는 것이므로 연료비의 증가로 이어지는 것입니다.
기존의 Steam Trap 을 작동원리로 대별하면 다음3가지로 분류할 수 있습니다.
예를들어 설명을 드리자면, 증기 누출 문제를 생각하는 가운데 매우 깊게 관련되어 있는 트랩이 있는데, 그게 바로『디스크 식 스팀 트랩』입니다.
그러면, 구체적으로 디스크 식 트랩에 대해서 설명해 보겠습니다.
구조는 트랩 중에서도 가장 간단하고, 가장 많이 사용되고 있습니다.
이미지 생김새 로서는 500 원짜리 동전이 한 개 들어 있을 뿐 입니다.
특징으로는 다음과 같은 점을 들 수 있습니다.
1. 제품이 소형이다
2. 설치 자세가 자유롭다
3. 구조가 간단 하기 때문에 손상 하기 곤란
그러나 주목할 점은, 이 트랩의 특성으로서 "증기 응축수와 증기 유속 차이"를 이용 하여 밸브 닫기를 실행 한다는 것입니다.
이것은 다른 말로 즉『증기를 방출하므로서, 초기 상태로 닫히는 구조의 트랩』입니다.
다른 트랩과 증기 누설량을 비교 하여 보면 아래와 같습니다.
◆ 신품인 스팀 트랩의 증기 누설량
(증기압 : 1 MPa, 응축량 : 5 kg/h)
증기 트랩 형식 | 증기 누설량 (kg/h) 15A 의 경우 |
고정 오리피스식 | <0.02 |
프리 플로트식 | <0.2 |
바켓트식 | 0.6 ~ 0.8 |
바이메탈식 | 0.1 ~ 0.4 |
디스크식 | 0.5 ~ 1.5 |
◆ 디스크식 트랩의 증기 누설에 의한 손실량
＊ 1 대당의 년간 증기 누설량
(평균 증기 누설량 1 kg/h, 1일 24 시간 가동, 1 개월 25일 이라 가정)
1 kg x 24 h x 25 일 x 12 개월 = 7,200 kg/년
＊ 년간 손실 금액 (증기 단가 40원/kg, 설치 대수 50 대라 가정하면)
40원/kg x 7,200kg/년 x 50대 = 14,400,000 원/년
그리고, 이 트랩을 취급하는데 있어서 중요해져 온 요소는 배압입니다.
여러분 배압은, 스팀 트랩 출구에 걸리는 압력을 말합니다.
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. (1대당 4 kg/h의 누설이라 가정, 증기단가 40원/kg, 년가동시간 8,160h)
40 원/kg × 4 kg/h × 8,160 h/년 (340 일 × 24 시간) = 1,305,600 원/년
또한 이 분출 누출 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, 이번 예의 "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.
여러분들의 현장에 설치되어있는 Condensate Tank가 어느새 압력 용기가 되어있을 수 도 있습니다.
어느 현장은 Condensate Tank가 흔들흔들 하는 곳도 있습니다.
이는 여러곳의 고장님 스팀 트랩이나 노후화된 밸브들에서 생증기가 새어 나와 응축수 회수 관을 통해 Condensate Tank로 모아지기 때문입니다.
노후 밸브 교체와 고정 오리피스 트랩 (O-TRAP)으로의 교체 설치만으로도 개선이 가능할 것입니다.
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D. 고정 오리피스 형 스팀 트랩의 작동 원리
오리피스형 스팀트랩은, 증기 드레인에 비해, 오리피스를 통과하는 양이 적다는 성질을 이용하고 있습니다.
액체가 오리피스로 부터 유출되는 양은 그 액체의 종류, 오리피스 구경 및 오리피스 전후의 압력 차에 의해 결정되며, 그 이론 유량 계산식은 오리피스 유량계 등에서 공지 하는 바와 같습니다.
예를 들어, 직경 5mm의 오리피스 구멍 전후의 압력 차 0.1MPa (1Kg/c㎡) 조건에서, 드레인 100 %가 흐른 경우, 590kg/h의 응축수가 배출되어, 증기 100%가 흐른 경우 22kg/h 증기가 배출됩니다. 즉 증기 만이 흘렀다 하더라도 이 조건에서 증기의 유출량은 드레인의 유출량의 3.7 % 밖에 흐르지 않습니다.
이 제품은 스팀 트랩이 아니라 오리피스의 성질을 이용한 드레인 배출 제어 시스템입니다. 개방 된 원형의 구멍 (오리피스) 에서 증기(기상) 와 드레인(액상)이, 각각 단상으로 100 % 흐른 경우, 드레인에 비해 증기 유량이 극히 적은 사실에 착안하여, 기존 스팀 트랩에 내장 되어 고장의 원인이기도 한 가동 부분을 전부 제거한 매우 심플하고 콤팩트 한 구조를 갖는 개발 상품입니다. 증기 사용 설비 및 배관에서 발생하는 최대 드레인 량에 대한 오리피스 시스템을 선택하기 만하면 드레인양이 크게 변동하여도 기존의 스팀트랩 이상의 증기 누설 없이 적절하고 신속하게 대응하고 드레인을 지체 없이 연속 배출합니다.
▶ O-TRAP 의 드레인 배출에 대해서 설명 드립니다.
증기가 배출에 비해, 오리피스를 통과 하기 어렵다, 라는 성질을 이용하여, 독자적으로 설계된 오리피스 시스템 에 의해 제작되고 있습니다. 유체가 오리피스 로부터 유출되는 양은, 그 유체의 종류, 오리피스 구경 및 오리피스 전후의 압력차에 의해 결정되며, 그 이론 유량 계산식은 알려진 바와 같습니다.
예를 들어, 직경 5mmφ 의 오리피스 구멍 전후의 압력 차 0.1MPa (1kg/cm2)의 조건에서 드레인 100%가 흐른 경우, 590 kg/h의 응축수가 배출 되며, 증기 100% 가 흐른 경우 22kg/h 증기가 배출 됩니다. 즉 증기 만이 흘렀다 하더라도 이 조건에서 증기의 유출량은 드레인의 유출량의 3.7 % 밖에 흘러 나오지 않은 것 입니다.
그럼 드레인(액체) 과 증기(기체)가 함께 공존하고 교류하면 어떻게 되는 것입니까?
방금 오리피스와 같은 조건에서 드레인 량이 50% (590 ÷ 2 = 295kg/h) 의 경우, 드레인 유출량 295kg/h 에 동반하는 증기량은 1kg/h 에 지나지 않습니다. 드레인 양이 4분의 1 (590 ÷ 4 = 147kg/h 되어도, 증기의 양은 2.2kg/h) 밖에 유출 하지 않고, 기존 제품 의 많은 스팀 트랩 의 정상 가동 시의 증기 누설량 에 비해서 매우 적은 양 입니다. 따라서 증기와 드레인이 혼재하는 경우, 오리피스 로 부터 유출되는 증기가 의외로 적은 것은 크게 두 가지 이유 에서 입니다.
⑴ 증기는 그 특성상 드레인 보다 30 배 이상 빨리 흐르려고 한다. 따라서 드레인은 강풍으로 바다가 밀어 닥치는 대로 파도가 발생하듯이, 그것은 오리피스에 밀어 닥치고 오리피스 구멍이 드레인으로 봉인되어 버린다.
⑵ 또한 파도가 당겨 완전한 밀봉 상태가 해제되어, 드레인과 증기가 혼합하여 오리피스 구멍을 통과하는 것 같은 경우는, 당연히, 난류상태가 되므로 발이 느릿 느릿한 저속 드레인이 방해가 되어 증기가 본래의 고속으로는 통과할 수 없게 된다.
이 오리피스의 특성 (흐르는 드레인 량과 증기량의 밸런스)는 드레인 부하율, 압력 조건, 오리피스의 형상, 오리피스 구경 등에 의해 변화하기 때문에, 본 제품은 실용 상, 에너지 절약 목표에 뛰어난 성능을 발휘할 수 있도록, 다단 오리피스 타입, 멀티 오리피스 타입을 개발하고 또한 오리피스의 형상에 대해서도 현장의 실적을 바탕으로 연구•개량을 거듭 한 결과 모든 조건에서 기존의 스팀 트랩에서는 대응할 수 없었던 범위까지 만족하는 상태에서 사용되고 있습니다.
▶실제로 증류탑의 Reboiler에 사용한 경우의 작동을 설명하겠습니다.
일반적으로 공급 증기 압력 (P)과 배압 (P2)은 일정합니다.
부하가 증가하면 조절 밸브 (CV)가 열리고, 열 교환기 내 압력 (P1)이 올라갑니다.
△ P = P1-P2가 올라가면 O-TRAP의 차압이 증가해 증기 유량이 증가합니다.
부하가 감소했을 때는 반대의 동작이 되어, 항상 차압(△ P)에 알맞는 드레인양이 연속 배출되어 안정 운전을 확보 할 수 있습니다.
고정 오리피스식 스팀트랩(O-TRAP)은 응답성이 뛰어나며, 엄격한 온도 관리에도, 온도상승(워밍업)속도에도 순종하므로 자동 제어의 추종성에 효과를 발휘합니다.
유지 보수 없이 본체 설비와 생명을 같이하여 사용할 수 있습니다.
(거의 반영구적)
▶ O-TRAP 장점
⑴ 움직이는 부분이 전혀 없고, 상시 개방 된 구멍 (고정 오리피스) 으로 드레인을 연속 배출 할 뿐이므로 거의 고장이 없고, 거의 반영구적으로 사용할 수 있다.
⑵ 초기 성능을 장기간 유지할 수 있어 유지 보수의 필요가 거의 없고, 또한 쉽다
⑶ 증기 누설이 매우 적으며, 증기로 인한 고장이 없기 때문에, 에너지 절약 성이 뛰어나 연료 절감 즉 이산화탄소의 발생량이 감소하고 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다.
⑷ 흐름 방향 이외 설치 제한이 없다. 가로 세로 대각선 자유 자재로, 아래에서 위로 흐르는 것도 가능하다.
⑸ 한편, 소형 경량이기 때문에 설치 작업도 용이하고, 장비가 적어도 되고, 배관 비용이 대폭 경감된다.
⑹ 흐름이 직선이므로, 공기 및 증기 장애가 일어나지 않는다.
⑺ 부하 변동에 신속하게 대응하기 때문에, 프로그램 제어 등의 경우, 정확하게 추종하여 엄격한 온도 관리를 할 수 있다.
⑻ 현재 세계에서 시판되고 있는 스팀 트랩에서는 대응이 곤란한 대용량・초고압・초저 차압에도 적용 할 수 있다.
예를 들면 :
① 입구압력이 10MPa(100kg/cm2) 이상이고 배출납량구가 1t/h을 초과하는 경우.
② 배출 능력이 80 t/h 이상 필요한 경우.
③ 차압이 0.002MPa (0.02kg/cm2) 이하인 경우.
① , ② 항에 대해서 본 품은 실질적으로, 무제한으로 대응할 수 있습니다.
▶ O-TRAP 단점
⑴ 기존 Type의 스팀 트랩보다 정확한 사양 정보가 필요합니다.
최소, 최대 드레인 량과 입구 : 출구의 압력 차이를 알지 못하면 적절한 오리피스 시스템의 설계를 할 수 없습니다.
(데이터가 없는 경우는 상담해주세요.)
⑵ 오리피스 에서 직접 출구 배관에 응축수가 분출하기 때문에, 특히 드레인 양이 많을 경우 부식을 경감하기 위해서는 노즐 지름의 10 배의 길이의 노즐 직관 부를 취하는 것이 바람직하며. 그것이 불가능한 경우, 첫째 엘보우까지는 스테인레스 관으로 하는 것이 좋습니다
O-TRAP 단점⑵를 구체적으로 보면 대기 개방시의 "외관" 과 "소음"입니다.
① 외관이 보기에 좋지 않다
▷드레인이 연속 배출되기 때문에, 플래시 증기 (※)가 개방 고장처럼 보입니다.
기존의 트랩이 간헐 작동이라면 그 위화감은 크다. (※ 고온 고압의 응축수가 저온 저압의 환경으로 나왔을 때에,
재 증발해 발생하는 증기 임. 발생률은 현열, 잠열로 부터 산출 가능)
[대책] 뒤쪽으로 배관을 연장함으로써, 어느 정도 완화됩니다. (방열에 의해 플래시 증기가 응축수로 돌아 간다.)
참고) 그렇지만 응축수도 열을 가지고 있기 때문에, 김은 절대로 멈추거나 사라지지 않습니다.
② 소리가 시끄럽다
▷오리피스를 드레인이 통과 할 때의 소리가 시끄럽다. ( "슈와 슈 '혹은'킨 '등. 피리의 이미지)
[대책] 스테인레스 울을 단 관 내부에 충진 한 “사이렌서=소음기”설치로 (외관 포함해) 개선 할 수 있습니다.
▷ 조용한 장소 나, 불특정 다수의 사람이 다니는 장소에는, 사이렌서의 설치를 권장합니다.
|
드레인배출기 고정 오리피스식 스팀트랩(O-TRAP)의 작동에따른 증기 건조기에 미치는 영향 예측도
고정 오리피스식 스팀트랩 (O-Trap) 으로 해결 할 수 있습니다.
무난하게 응축수 배출을 시키는게 매우 중요합니다.
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O-TRAP의 업계 특성 별 절감효과 테스트 사례
(Test 방법 참고 사이트: 스팀트랩의 고장 진단 방법 → https://blog.naver.com/tjchung/221413528324)
고정 오리피스 트랩(O-TRAP)의 도입계획에서 실천까지
• 산업별 에너지 절약 사례를 정리했습니다.
귀사에 가까운 케이스를, 업계 특성을 참고하여 주십시오.
• 연간 손실금액은, 현재 사용하고있는 스팀 트랩을 계속 사용하는 경우의 연료 손실 금액입니다.
(수치는, 적절한 테스트 환경하에서 [1 개의 스팀 트랩]의 것입니다)
• 증기 손실 절감율은 기존 트랩과 오리피스 트랩(O-TRAP)을 사용한 「비교 시험」에 의해 산출합니다. 각각의 드레인(응축수)과 드레인 배출시 동시에 배출하는 생 증기(로스분/손실)를 용기에 있는 물속으로 받아, 드레인 무게 (드레인 + 생 증기)을 측정합니다.
연간 손실액은 비교 시험 결과로부터 계산합니다. 「공장 전체의 트랩 교체」의 결과는 아닙니다.
• 근접한 업계가 발견되지 않는 경우는 적절한 업계에 근접한 곳을 참고 하시기 바랍니다.
사례 소개
CASE 1 제당 업계
• 대상 장소 : 관말
• 비교 트랩 : 디스크 형
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 365 일/년 (8,760 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 481 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 9.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 495.30 | 527.61 |
최종 열량 (㎉/n분) | 1,016.50 | 960.75 |
증가 열량 (㎉/h) | 521.2 | 433.14 |
손실 열량 (㎉/h) | 88.06 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 3.66 | -- |
년간 손실 금액 1,442,772원, 증기 로스 절감율 16.9 %
<도입 판단>
비교시험결과를 바탕으로 연료절감 액 추정, 초기비용 회수가 빠른 트랩부터 도입 결정.
CASE 2 제철 업계
• 대상 장소 : 관말
• 비교 트랩 : 플로트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 360 일/년 (8,640 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 509 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 3.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 102.03 | 102.55 |
최종 열량 (㎉/n분) | 263.38 | 190.54 |
증가 열량 (㎉/h) | 161.35 | 87.99 |
손실 열량 (㎉/h) | 73.36 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 2.88 | -- |
년간 손실 금액 1,119,744원, 증기 로스 절감율 45.47 %
<도입 판단>
ISO 담당자가 "절전"다음”은 “절 증기"라면서 도입 결정했습니다. 트랩의 Orifice Size 선정 작업에 입회하여 저소음, 안정한 드레인 배출을 확인하고, 시설 담당자에게 정보를 제공, 비교 시험 후, 바로 주문을 습니다.
CASE 3 식품 업계
• 대상 장소 : 관말
• 비교 트랩 : 오리피스 노즐 형
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 335 일/년 (8,040 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 489 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 7.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 52.97 | 48.13 |
최종 열량 (㎉/n분) | 285.00 | 90.54 |
증가 열량 (㎉/h) | 2,784.31 | 508.94 |
손실 열량 (㎉/h) | 2,275.37 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 4.65 | -- |
년간 손실 금액 1,682,370원, 증기 로스 절감율 81.72 %
<도입 판단>
식품, 특히 건강 식품 위탁 제조를하므로, 효율적인 운영을 의식하고 있지만, 증기의 낭비를 알지 못하였습니다. 증기 누설이 많은 트랩부터 교환하고, 궁극적으로는 전체 공장의 트랩을 교환 진행하기로 하였습니다.
CASE 4 염색 업계
• 대상 장소 : 롤 건조기
• 비교 트랩 : 바케트 식
• 평균 가동 시간 : 17 시간/일
• 연간 가동일 : 300 일/년 (5,100 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 489 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 7.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 133.38 | 105.33 |
최종 열량 (㎉/n분) | 1,452.254 | 728.09 |
증가 열량 (㎉/h) | 26,377.48 | 12,397.76 |
손실 열량 (㎉/h) | 13,979.24 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 28.6 | -- |
년간 손실 금액 6,563,700원, 증기 로스 절감율 53.00 %
<도입 판단>
염색은 수많은 섬유 산업 중에서도 한국에서는 매우 중요한 산업입니다. 수 킬로미터 나 되는 직물을 차례로 염색, 롤 건조기를 통해 건조합니다. 드럼 관을 뉘어 놓은 것 같은 건조기 굴대(心棒) 부분까지 드레인이 쌓여 당연히 의식하고 있었지만, 오리피스 트랩(O-TRAP)에서는 대부분의 응축수가 빠지는 것을 확인되었고, 롤의 대부분이 고온 증기의 온도가 되어, 건조 시간은 3 분의 1로 되었습니다. 연료비도 절감되었고, 조업 시간도 단축되었습니다.
CASE 5 반도체 업계
• 대상 장소 : 증기 헤더 밑(헤더 下面)
• 비교 트랩 : 디스크 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 360 일/년 (8,640 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 494 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 5.8㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 188.70 | 236.33 |
최종 열량 (㎉/n분) | 401.20 | 294.65 |
증가 열량 (㎉/h) | 2,500.00 | 699.90 |
손실 열량 (㎉/h) | 1,850.10 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 3.75 | -- |
년간 손실 금액 1,458,000원, 증기 로스 절감율 73.00 %
<도입 판단>
여름 겨울 기온차가 큰 공장이라 할 지라도, 헤더의 증기 압력, 헤더의 관경, 길이(L), 보온 상태를 파악하여, 드레인 발생량등을 계산, Orifice Size를 정하여 기종선정을 진행합니다.
헤더에는 녹 등 이물질이 많이 모이는 곳이기에 연속 배출하는 오리피스 트랩을 설치하여 어느 정도의 기간이 지나면 매우 안정적이고 질 좋은 스팀을 공급하게 됩니다.
CASE 6 필름 제조 업계
• 대상 장소 : 관말
• 비교 트랩 : 플로트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 330 일/년 (7,920 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 512 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 2.6㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 98.28 | 129.65 |
최종 열량 (㎉/n분) | 244.99 | 207.95 |
증가 열량 (㎉/h) | 1,760.47 | 939.53 |
손실 열량 (㎉/h) | 820.94 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 1.60 | -- |
년간 손실 금액 570,240원, 증기 로스 절감율 46.63 %
<도입 판단>
테스트 한 공장에서의 실적 정보를 옆으로 전개. 플랜트 설계시의 취지를 몰라서 트랩을 테스트하면서 Orifice Size 설계를 위한 사양 확보를 하는데 애를 먹었습니다.
CASE 7 기호식품 제조 업계
• 대상 장소 : 보일러 헤더
• 비교 트랩 : 플로트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 240 일/년 (5,760 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 489 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 7.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 103.3 | 93.2 |
최종 열량 (㎉/n분) | 453.6 | 266.4 |
증가 열량 (㎉/h) | 4,203.6 | 2,078.4 |
손실 열량 (㎉/h) | 2,125.2 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 4.34 | -- |
년간 손실 금액 1,124,928원, 증기 로스 절감율 50.56 %
<도입 판단>
타사의 친환경형 트랩과 비교 시험으로 시작했습니다. 엄격한 검토를 위해 바이 패스 회로를 만들어, 연속 측정을 실시하여 효과를 확인하였습니다.
CASE 8 프린터ᆞ잉크 업계
• 대상 장소 : 샤프너 플랜트 관말
• 비교 트랩 : 플로트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 330 일/년 (7,920 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 489.3 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 7.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 84.33 | 61.78 |
최종 열량 (㎉/n분) | 375.19 | 83.44 |
증가 열량 (㎉/h) | 3,490 | 21.66 |
손실 열량 (㎉/h) | 3,468.34 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 4.34 | -- |
년간 손실 금액 1,546,776원, 증기 로스 절감율 99.38 %
<도입 판단>
잉크 제조 현장 시험에서 오리피스식 트랩의 사용이 비용 절감에 직결하는 것을 이해하고 연도에 걸쳐 도입 계획을 수립. 공장의 휴무 기간을 염두에 둔 주문 계획, 설치 계획에 따라 담당 부서에도 부담이 들지 않도록 배려하여 추진하도록 했습니다.
CASE 9 제약 업계
• 대상 장소 : 옥내 헤더 밑
• 비교 트랩 : 플로트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 240 일/년 (5,760 h/년)
• 증기 단가 : 50 원/kg
• 증기 잠열 : 489.3 kcal/kg (증기 표에서) [증기압력 7.0㎏/㎠g]
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 145.00 | 160.00 |
최종 열량 (㎉/n분) | 2,025.40 | 539.34 |
증가 열량 (㎉/h) | 22,565 | 455.2 |
손실 열량 (㎉/h) | 18,013 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 36.5 | -- |
년간 손실 금액 10,512,000원, 증기 로스 절감율 79.83 %
<도입 판단>
제약 회사 공장이라서, 음료 업계의 수치가 강한 임팩트가 되어 시급히 자사 공장에서 시험하려고 테스트 해보았는데, 결과에 놀라 바로 개선공사를 하였습니다.
CASE 10 수지 성형 업계
• 대상 장소 : 발포 스치롤 성형기 밑
• 비교 트랩 : 바켓트 식
• 평균 가동 시간 : 24 시간/일
• 연간 가동일 : 330 일/년 (7,920 h/년)
• 증기 단가 : 45 원/kg
• 증기 잠열 : 390 kcal/kg (증기 표에서)
항 목 | 기존 트랩 | O-TRAP |
초기 열량 (㎉/n분) | 155.37 | 213.00 |
최종 열량 (㎉/n분) | 255.14 | 260.57 |
증가 열량 (㎉/h) | 1,995.28 | 951.30 |
손실 열량 (㎉/h) | 1,043.98 | -- |
손실 증기량 (㎏/h) | 2.68 | -- |
년간 손실 금액 955,152원, 증기 로스 절감율 52.3 %
<도입 판단>
가전 포장용 발포 스티로폼 성형기에서 효과를 확인했습니다. 성형기가 공장 내 증기의 60 %를 차지, 또한 그 중 4 대가 그 60 %를 사용하여, 도입 갯수에 비해 큰 절감 효과를 기대 되어서 즉시 도입.
주변의 공장들에게도 널리 소개 해 주었습니다.
|
상담 문의 ;
Tel : 070-7747-8290
E-Mail : tjchung@naver.com
홈페이지: http://k.o-trap.cn
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