감압밸브의 장점 (증기 시스템에서 감압밸브의 메리트)

감압밸브의 장점 (Pressure Reducing Valve)(증기 시스템에서 감압밸브의 메리트)

감압밸브(Pressure Reducing Valve)는, 2차측의 액체 압력을 1차측의 유체압력보다도 낮게, 일정한 압력으로 유지하는 조정밸브입니다.

압력밸브의 주 목적은 단지 압력을 내리는 것만이 아니고, 부하변동에 의한 유량을 동적으로 제어하는 것이 본래의 목적입니다.

감압밸브는 동작 방식에 따라 차이가 있지만, 원리적으로는, 관로내의 통로를 오리피스에 의해 “조임”(throtting)에 의해 감압한다는 점에서는 큰 차이는 없습니다.

즉 증기의 단열 팽창에 의한 상태변화를 이용으로, 이것은 감압밸브 통과 후의 압력변화만이 아니라, 온도, 잠열 및 비용적도 변화합니다.

이들의 변화에 의한 효과는 다음과 같습니다.

1. 증기의 품질이 높아지는 변화

   감압을 하는 것은 증기의 단열팽창이며, 압력변화와 함깨 잠열량이 변화하므로 건도(乾度)가 향상합니다.

   예를 들면, 0.7MPa, 건도 95%의 포화증기(飽和蒸氣)를, 0.1MPa로 감압하면,

        0.7MPa, 건도 95%의 잠열 : 2,055kJ/kg x 0.95 ≒ 1,952 kJ/kg (A)

        0.7MPa의 현열 :  719 kJ/kg (B)

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        전열량 = A + B = 1,952 kJ/kg + 719 kJ/kg = 2,671 kJ/kg (C)    로 됩니다.

   감압할 때, 감압밸브 통과에 의한 마찰 이나 방열에 의한 열손실이 없다고 가정하면,

        0.1 MPa 잠열 : 504 kJ/kg (D)    로 됩니다. 

   전열량에서 현열량을 빼면 잠열량 이 되므로,

        잠열량 = C – D = 2,671 kJ/kg - 504 kJ/kg = 2,167 kJ/kg (E)  로 됩니다.

        0.1 MPa 의 포화증기 잠열 : 2,209 kJ/kg (F)   이므로,

        건도 = E ÷ F = 2,167 kJ/kg/kg ÷ 2,209 kJ/kg = 98.1 %  로 되어,

   0.7 MPa, 건도 95 % 의 증기를 0.1 MPa로 감압하면, 건도는 95% 에서 98.1 %로 향상합니다.

   또, 건도가 높은 증기를 공급함에 따라, 시스템 내의 전열면에 드레인 막을 얇게 할 수 있어서, ​열교환 능력을 향상시키는 결과가 됩니다. 

2. 감압에 의한 잠열 증가에 따른 에너지 절감

   포화증기는 압력이 높아 질수록, 그 증기가 가진 잠열은 적아지고, 현열은 커집니다.

   이것은, 간접가열에 이용함에는 높은 압력일수록 낭비하는 열량이 많아짐을 의미합니다.

   간접가열의 경우에는 필요이상으로 높은 압력의 증기를 사용하면, 낭비하는 열량이 매우 많아 지므로, ​감압효과에 의한 잠열량의 증가에 의해 에너지 절감을 도모할 수 있습니다.

   어느 정도 감압할 수 있을까 는 열교환 부분의 온도 조건과, 그 증기 공급구(供給口)의 크기가 확보되어 있는지? 와 감압에 의한 열교환 능력의 저하가 없을 것이 전제조건이 됩니다. 

3. 캐리오버의 저하

   현재의 고성능 보일러에서는, 가능한 높은 압력으로 증기를 발생시킬수록, 환수 캐리오버 를 낮게 할 수 있어서, 건도가 높은 증기를 공급할 수 있습니다. 이것은 증기의 열교환율을 높여, 생산성 과 에너지 절감 면에서도 중요한 것입니다. 

4. 균일한 가열 조건

   감압밸브에 의한 2차측 압력을 일정하게 함으로서, 시스템의 가열조건을 안정화시켜, 열교환 속도를 일정하게 하고, 균일한 생산성이 가능하도록 합니다.

5. 배관 비용의 절감

   감압하는 감압밸브까지는 고압으로 증기를 수송할 수 있습니다.

   이것은 필요한 배관 구경을 최소한으로 할 수가 있습니다.

   배관구경을 작게 하는 것은, 보온재 와 배관 연결 재료류의 절감을 할 수 있고, 더욱이 방열면적의 감소 등, 열량 감소로 인한 에너지 절감 효과는 커지게 마련입니다. 

보충 설명

   증기배관에 있어서, 압력손실, 굉음, 배관의 마모 는, 관내 유속이 빨라지면 가속도적으로 증대합니다. 배관구경을 작게함에 따라 설비비용은 소액으로 끝나지만, 관내유속이 빨라지기 때문에, 이들의 요소를 조합해서 매우 경제적인 배관구경을 정하지 않으면 안됩니다.

일반적으로,  포화증기 : 20 ~ 30 m/s,  과열증기 : 30 ~ 60 m/s   입니다.

[ 기타 고려할 내용 ]

  저압이 될수록 증기의 비용적은 급격히 증대하여, 배관 내 저항을 받기 쉽게 됩니다. 저압이기 때문에 압력손실에 의한 영향이 큰 요인이 됩니다. 따라서 배관 내 유속에 대하여 충분한 고려를 하지 않으면 안됩니다.

  장래에 증설을 생각하고 있는 경우에는 최대한의 증기량으로 계산된 배관구경보다 더욱 여유를 보고 결정해야 합니다. 

증기유량 계산

   증기 비중량(감마: γ)는 저압력으로 되면 급격하게 작아집니다.

   아래에 표시한 계산식에서 보듯이 일정유량(G)를 흐르게 하는 경우, 비중량(감마: γ)이 작아지면 배관구경(d)는 커집니다.

   결국 증기를 수송하는 경우에는 높은 압력으로 수송하고, 저압증기가 필요한 시스템의 직전에서 감압하는 것이 수송관에서의 재료비 원가 절감이 됩니다. 

예제

증기량 500 kg/h 를 압력 1.0 MPa 와 압력 0.1 MPa 로 수송하는 경우의 배관구경을 구합니다.

  

       

       

        

이상과 같이, 1.0 MPa로 수송하는 경우 32A의 배관 파이프입니다 만, 0.1 MPa로 수송하는 경우에는 80A의 배관 파이프가 필요하게 됩니다.

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※ 아래의 내용도 참고해 주시길 바랍니다.

   증기배관구경 계산 과 응축수배관구경 계산 실례 : https://blog.naver.com/tjchung/221354811976

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포화증기-비중량표

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