쟈켓탱크의 증기 열교환기에 필요한 열량 구하기 (열교환기 선정을 위한 용량 산출)

Jacket Tank의 증기 열교환기에 필요한 열량 구하기 (열교환기 선정을 위한 용량 산출)

 

전제 조건 상황)

​▷Jacket Tank 의 Jacket 사용 증기압력 4㎏/㎠(151.35 ℃) 을 공급

 

​▷피가열 물질인 물 의 초기온도는 20℃

​▷피가열 물질의 승온 목표온도는 95℃

▷피가열 물질의 비중은 1 g/㎤

▷피가열 물질의 비열은 1 kal/kg

▷피가열 물질의 유량은 3 ㎥ (탱크용량은 4 ㎥이며, 최대사용량은 3 ㎥)

▷Jacket Tank의 재질은 SUS304, 두께는 3mm, SUS Plate의 비중은 7.9, 비열은 0.118

▷Jacket Tank의 용량은 4,000 ℓ ;   D : 1.6 m, L : 2 m 의 Jacket Tank.

 

【 Ｖ＝πｒ２Ｌ   (원통형 체적 구하는 공식)】

 

 

위 상황에서의 Jacket Tank 소요열량 및 Jacket Tank 내부의 물 가열 증기 소비량 계산

 

◎ 열량계산

 

⑴ 쟈켓 탱크의 소요열량

 

①쟈켓탱크의 용량은 4,000 ℓ ;  D: 1.6 m, L: 2 m 의 체적 【 π/4*D2*L 에서(체적 구하는 공식)】

 

②Jacket의 가열무게

- 상,하 원판2장 무게 = 3.14 ÷ 4 * 1.6² * 2개(상·하) * 0.003 m * 7.9 = 0.095255 ㎥= 95.25 ㎏ 

  [0.785 * 2.56 * 2개= 4.0192 ㎡ * 0.003 m = 0.0120576 ㎥ * 7.9 = 0.095255㎥= 95.25 ㎏]

- 동판 무게 = 2 * 3.14 * 0.8 * 2 * 7.9 * 0.003 = 238.14 ㎏

- Jacket의 내부 철판 총 무게 = 333.39 ㎏​ 

 

③Jacket 가열 증기의 소비열량(필요열량)

   피가열물질 초기 온도 20 ℃, 승온목표온도 95℃ 로, 온도차가 75 ℃ 임

   ∴ 소비열량 = 333.39 [kg] * 0.118[kcal/kg ℃] * (95-20)[℃/h] = 2,950 ㎉/h

 

⑵ Jacket 안의 물 가열 소비량

    Q = m * Cp * 온도차 = 3,000 * 1 * 75 = 225,000 ㎉/h

 

⑶ Jacket 이 물 3000ℓ 가열하려고 한다면, 소비열량은?

    225,000 + 2,950 = 227,950 ㎉/h 입니다.

 

⑷ 증기 공급 압력이 4 ㎏/㎠ (증기잠열 503.71 ㎉/㎏)이므로

     227,950 ㎉/h ÷ 503.71 ㎉/㎏ = 452.54 ㎏/h

 

⑸ 만약에 이런 크기의 Jacket 5개를 사용할때의 보일러 용량은 ?

    227,950 ㎉/h * 5개 = 1,139,750 ㎉/h  (452.54 ㎏/h * 5개 = 2,262.7 ㎏/h)

    보일러 용량을 결정한다면 여유율 (안전율, 효율 등)을 감안하여 30%를 할증한다.

    1,139,750 ㎉/h ÷ 503.71 ㎉/㎏ = 2,262.7 ㎏/h

    2,262.7 ㎏/h * 1.3 = 2,941.51 ㎏/h 의 보일러가 필요로 할 것입니다.

 

여기서, 향후 보일러 증설이 필요 없다면 꼭 이 용량에 맞는 보일러를 주문하면 되겠지만, 조금 더 여유를 갖게 설치하려면, 3.25 Ton 이나 3.5 Ton 정도의 보일러를 설치할 것을 추천합니다.

 

⑹ 증기공급압력의 효과적인 사용위해 공급압력을 2 ㎏/㎠로 한다면(트랩동작압력 감안하여)

​    ① 1,139,750 ㎉/h ÷ 516.88 ㎉/㎏ = 2,205.06 ㎏/h 의 증기가 소모 될 것입니다.

    ② 증기압력 4㎏/㎠ 로 공급할 때 보다 약 57.64 ㎏/h (2,262.7 – 2,205.06)의 절감효과 볼 수 있습니다. 

        1일 24시간 가동한다면, 1일동안 57.64 ㎏/h x 24 h = 1,383 ㎏/day 절감효과의 의미 임.

 

⑺ 가열에 소요되는 시간을 40분으로 설정하여 증기소요량을 검토해 봅니다

     전제 조건을, 피가열물질인 물 3 ㎥를, 증기 압력 4 ㎏/㎠, 초기온도 20℃, 목표온도 95℃, 

     승온시간을 40분 인 경우, 증기 소요량을 계산하면,

 

계산식;  W (증기유량) = [1000 x Q (피가열물질 양) x △T(승온온도－초기온도) x a(피가열물질계수(비중×비열)] ÷ H (증기잠열) x (60 ÷ 승온시간) 

 

  → W = [ 1000 x 3 x ( 95 - 20 ) x 1 ] ÷ 503.71 x ( 60 ÷ 40 ) = 670 ㎏/h

 

      ▷ 목표온도 도달시간을 40분으로 한다면, 증기 소요량은 670 ㎏/h 입니다.

      ▷ 목표온도 도달시간을 60분으로 한다면, 증기 소요량은 447 ㎏/h 입니다.

      ▶  "목표온도 도달시간"에 따라서 "증기 소요량"이 영향을 받는다는 것은 자명한 이치 이겠습니다.

 

 

◎ 상기 건에 대한, 증기 공급 적정 배관경은? ※

 

  1) 증기 공급 평균 속도를 25~30 m/s 로 보고, Sarco사의 증기 속도 테이블을 이용하여 보일러에서 공급압력을 약 7 bar 로 보고, Jacket의 전단(바로 앞)에서 감압을 하여 잠열의 효과를 극대화 한다고 하고, 감압밸브 후단 압력을 2 bar 로 보고 구한다고 하면,

 

  2) 보일러의 헤더로부터는 65A 배관으로 공급이 되서 Jacket 1개 마다 감압밸브를 설치한다면, 65A 배관에서 감압밸브 전단은 40A, 후단은 65A 로 설치를 하여 증기 공급을 하면 되겠습니다.

 

아래의 도표를 보면, 속도는 25 m/s 를 기준으로 하고, 공급압력 과 감압 압력의 유량 값을 고려하여 선정을 하면 되겠습니다.

 

테이블 : 배관구경에 따른 증기 통과량 (㎏/h)

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▶ 물의 온도를 상승 시킬 때,  "필요한 열량"을 구해 보도록 하겠습니다.

 

     (전제 조건)  

      ◆ 15℃ 의 물,  10 ton을 65℃ 로 올리는데 필요한 열량은 얼마일까요?

     ◆ 사용 증기 압력은 2 ㎏/㎠ 이고, 시간당 1,000 ㎏/h의 증기가 투입됩니다

 

     필요 열량을 구하는 공식인,  Q (㎉/h) = m * cp * ( Th - Tc ) 라는 공식을 이용하여

 

   Q = 10,000 * 1 * ( 65 - 15 ) = 500,000 kcal/h 입니다

           m = 가열하고자하는 물질의 질량, 중량 (㎏)

           cp = 가열하고자 하는 물질의 정압비열 (㎉/㎏∙℃)

          Th(th) = 승온하고자 하는 온도 (설정목표온도값) (℃)

          Tc(tc) = 승온 하기전의 초기 온도 (℃)

 

여기서 공급되는 증기의 압력이 2 ㎏/㎠ 이므로 이때의 증기압력 잠열로 나누어 주면 필요한 증기량이 산출 됩니다. 증기표에 의한 포화증기압력 2 ㎏/㎠ 의 잠열은 516.88 kcal/kg 임.

 

 500,000 kcal/h ÷​ 516.88 kcal/kg = 967.3425 ≒ 967 kg/h 【이 산출 값이 증기 소비량 입니다】

 

실질적으로는 이 증기 소비량은 이론적이고 산술적인 양이라고 볼 수가 있으며, 현장에 적용시에는 배관의 마찰 손실, 배관의 순구배, 역구배, 배관의 기울기, 증기 건도, 보온 효율, 등등에 의하여 안전율(여유율)을 주어야 하는 것입니다. 경험적으로 볼 때 최소한 약 10~20 (평균 15) % 정도 여유를 갖고 현장에 적용을 하는 것이 바람직하지 않을까 생각 합니다.

 

 967 kg/h * 1.15 = 1,112 kg/h 이 소모되는 증기량에 가깝다고 할 수가 있습니다.

 

◈ 위의 전제 조건에서, 사용 증기 압력은 2 ㎏/㎠ 이고, 시간당 1,000 ㎏/h의 증기가 투입된다고 하였으니.

    1,000 : 60 = 1,112 : Ⅹ 로 부터, Ⅹ = 66.72 분. 

    상기 조건하에서의 가열에 필요한 시간은 66.72 분 이 되겠습니다.

 

시간의 개념은 필요한 증기 공급 방식과 열량 흡수 능력이 좋다고 한다면, 1시간이던 30분이던 1분이던 가능할 것이라고 생각을 합니다.

 

결국 시간 문제는 현장의 부하 설비가 요구하는 조건에 따라 시간적인 사항을 접목하면 되지 않을까 합니다.

 

 

예를 들어 한시간당 1,112 kg/h , 반시간당 1,112 kg/30min 등 으로서 설계시, 1(한) 시간을 기준으로 가정해 설계를 하였다면,

이 후에 증기를 30분으로 공급하는 것으로 설정을 할 때에는, 이에 따라 증기 공급 압력이 불변이면, 공급하는 배관의 관경을 크게 하여, 공급 증기량을 늘리는 것과 동시에, 열교환기의 능력을 키워야 만이 가능한 일일 것입니다.

즉, 증기 공급 압력은 불변이면서, 더 짧은 시간 내에 목표 온도에 도달 시키려 한다면, 증기배관 관경을 크게하여 증기 공급량을 늘리거나, 혹은 다른 방법으로는 열교환기 능력을 더 큰 것으로 교체하여야 한다는 것입니다.

 

◈ 위에서 사용 증기 압력 2 ㎏/㎠ 이고, 시간당 1,000 ㎏/h의 증기가 투입된다고 하였을 때 의, 증기 공급배관의 구경 계산을 해 보도록 하겠습니다.

    ○ d(구경) = √ (4÷3.14)x[0.610505÷(25*3600)]*1,000 = 92.95832 mm ≒ 100A

    ○ d(구경) = √ (4÷3.14)x[0.610505÷(25*3600)]*1,112 = 98.02586 mm ≒ 100A

 

    위에서 산출된 배관 구경인, 100A 로 시공하여야 합니다.

 

     

 

 

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