판형열교환기로부터 재증발 증기를 회수하여, 공장 청소·난방·온수 활용에 대하여

판형열교환기로부터 재증발 증기를 회수하여, 공장 청소·난방·온수 활용에 대하여

 

증기는 증기가 가진 톤당 높은 열량, 경제적 이점, 대형 공장에서 긴 거리에 걸쳐 전기를 이용한 기계적인 펌프를 통해 수송할 필요가 없다는 점에서, 발전소, 석유정제공장, 화학공장, 식품가공공장, 제약 공장, 호텔, 병원 등에서 주된 가열 매체로 널리 사용되고 있습니다. 증기 사용에 있어 문제점은 규제와 제어 그리고 응축수 관리라 할 수 있습니다.

 

증기시스템에서 이상적인 시스템으로는, 생산된 증기 100%가 사용지점에서 응축돼야 하고, 효과적인 스팀트랩이라면 재증발 증기(Flash Steam)가 응축수 탱크로 들어가지 못하도록 막아야 합니다. 만일 이게 가능하다면 재증발 증기(flash steam)는 발생하지 않게되지 않을까 합니다.

 

이상적인 증기시스템은 배관의 단열 처리 및 제어 밸브를 통해 열손실을 최소화하는 동시에 재증발 증기를 대기로 배출하도록 설계됩니다. 이렇게 배출되는 재증발 증기는 회수되지 않을 경우,매우 값비싼 에너지 낭비를 초래하게 됩니다.

 

보일러에서 생성된 증기가 2㎏/㎠G 또는 133℃에서 다양한 공정에 사용된 후, 응축을 통해 열을 방출하고 응축수가 응축수 회수 탱크로 돌아가는 증기사이클은 간단합니다. 응축수와 함께 이동하는 응축되지 않은 증기는 보통 대기로 배출되는데 이것은 에너지 손실로 이어지는 것이기에 매우 바람직하지 않습니다. 응축수로 회수되지 않은 증기는, 고비용을 들여 원수를 처리하여, 보충수로 다시 보완/공급해줘야 하기 때문입니다. 

 

열 회수를 위해, 가스켓 판형열교환기를 원추형 상승억제장치를 갖춘 간단한 분리기와 함께 설치할 수 있습니다. 재증발 증기로부터 회수된 열은 공장 청소, 목욕시설, 사무실 난방, 생산 시설용 온수를 생산할 수 있으며, 생산공정으로 회수되거나 보충수의 예열 사용 또는 주변 지역난방네트워크에 판매할 수 있습니다.

 

 

◈ 증기를 사용한 후 발생된 응축수를 스팀트랩을 통하여 회수되거나 버려지게 되는 것과, 증기를 직접 피가열체에 사용을 하고 나면, 사용 용도에 따라 회수가 가능한 축수도 있지만 회수하지 못하는 응축수도 있습니다.  증기를 사용한 후 발생한 응축수의  가격을 금액으로 환산을 예측해 보도록 하겠습니다.

 

가정 조건

   ⓐ 년간 급수량 : 4,500 ton/y

   ⓑ 가동시간 : 3,000 h/y

   ⓒ 보일러 : 3 ton

   ⓓ 수도요금 :  900 원/ton

   ⓔ 보일러 연료 : LNG

 

◈ 버려지는 응축수의 가치가 얼마인지를 확인해보겠습니다.

 

   ⑴ 버려지는 응축수 계산

       -  4,500 × 1 × 75 ÷ 9,420 × 950 = 34,036,624 원/년

       - 용수 비용 :  4,050,000 원/년

 

   ⑵ 총 버려지는 응축수 열량의 가치는 : 38,086,624 원/년

 

   ⑶ 시설 총 투자 추정 비용 : 50,000,000 원

 

   ⑷ 투자비 회수기간 : 50,000,000 ÷ 38,086,624 = 1.31 년

 

 

 

 

판형(Plate Type) 열교환기

 

판형(Plate type) 열교환기는 약 100여 년의 역사를 가지고 있습니다. 최초의 Plate 열교환기는 마치 Filter Press 와 비슷한 사각의 청동판과 구리판으로 구성되어 있었다고 합니다. 그후 1930 년대 들어서 실용화가 되었으며, 오늘날과 비슷한 모양의 정밀한 Plate가 제작되어 유럽의 식품공업에 기여하게 되었습니다. 1960 년대에 이르러 효율적인 Plate 모양과조립방법 및 Gasket의 재료 개발에 힘입어 성숙단계에 이르렀으며, 매우 광범위하게 사용되었고 통상적으로 Tubular type 영역이라고 하는 곳 까지도 침투하기 시작하였습니다.

 

판형(Plate Type) 열교환기는 2개의 사각 Head Plate 중 하나는 고정되었고 다른 하나는 이동이 가능하도록 되어 있으며, 중간에는 얇고 주름진 (Corrugated) 여러 장의 전열판(Plate)이 겹쳐 있으며, Plate와 Plate 사이에는 가열유체와 수열유체가 교대로 흐르도록 되어 있습니다. 이 유체의 누설을 방지하기 위하여 Plate 주변으로 Gasket을 넣은 다음 Clamp로 밀착시킨 것으로 두 유체가 이 Plate를 통하여 열을 전달하는 장치입니다.

 

각각의 Plate는 4구석에 Port가 있으며 가열유체와 수열유체에 대하여 대각선으로 한 쌍의 Port를 가지며, 그 Port는 End plate에 연결됩니다. 전열의 효과를 높일 수 있도록 유체의 유동방향을 수열유체는 상향으로 하고 가열유체는 하향으로 유동할 수 있도록 배열합니다.

▶ 판형 열교환기의 장점과 특징

＊ 전열판(Plate)의 주름(Corrugation)은 아주 낮은 Reynolds 수에서도 난류를 유도하기 때문에 두 유체 열전달 계수는 Tubular 열교환기의 2〜4배 정도로 크고, 구조상 By-pass 와 누수가 없으며 항상 향류(Counter current)로 조업할 수 있어 열효율이 높은 것이 최대의 장점입니다. 그리고 Shell & Tube 열교환기는 실제 온도 Approach 를 약 5℃ 이상 되어야 하는 반면에, 판형(Plate type) 열교환기의 온도 Approach가 1℃ 까지 낮아도 가능하기 때문에 열회수용으로 아주 이상적입니다.

 

＊ 오염계수(Fouling factor)는 유체의 짧은 체류시간과 높은 난류효과, 그리고 국부적으로 유속이 낮은 지역이 없기 때문에 Tubular type 보다 1/5 정도의 아주 작은 값을 적용합니다. 상기의 특징 외에도 용접을 하지 않는 간단한 구조로 되어 있기 때문에 보전과 정비를 위해 분해가 쉽고 단위 부피당 넓은 전열면적을 가지면서도 매우 정교하고 가벼워 취급하기도 쉽다.

 

＊ 설계 시에는 전열판(Plate)의 크기，Chevron angle(β), 다양한 Pass 배열 등으로 탄력적인 설계가 가능하고 구조적인 측면에서도 열충격(Thermal shock)이 있어도 진동(Vibration), 열팽창(Thermal expansion)등에 문제가 안 되며, 제작이 완료된 후라도 전열판(Plate)수의 증감이 가능하여 다양한 열부하(Heat duty)에 적용할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다. 조업 시에는 유체 정체시간이 짧아 조절기능이 빠르며 최대 2,500㎡ (27,000Ft2)의 넓은 전열면적을 가질 수도 있습니다.

 

▶ 단점과 사용범위

＊ 이 열교환기의 사용범위는 전열판과 Gasket의 제한조건에서 찾을 수 있다. 즉, Gasket의 재질로는 천연 혹은 합성고무가 널리 사용되고 있으나 이러한 재질들은 제한된 온도와 압력, 특히 Solvent 와 같은 유기물에 의한 화학적 침투성 때문에 제한을 받는다.

 

＊ 일반적인 사용범위는 온도 0〜120℃(32〜250℉), 압력 1~10기압(150psi) 정도이나 Compressed asbestos gasket을 사용하는 경우는 약 250℃ 까지 사용하며 탄성 중합체나 Asbestos gasket 은 25기압(350psi)까지 사용할 수 있다고 한다. 이때 사용되는 모든 Gasket 은 주기적으로 갈아 주어야 하며 그 주기는 사용하는 곳에 따라 다르다.

 

＊ 압력손실은 복잡한 Channel 구조로 인하여 이 Plate 내의 높은 전단특성(Shear characteristic)이 유발하기 때문에 완전난류의 경우 마찰계수는 크지만 Channel 이 짧고 유속이 낮기 때문에 Tubular 열교환기의 Sensible과 같은 합리적인 압력손실이 발생한다. 또, 높은 전단특성 때문에 증기의 분율(Vapour fraction)이 크고 조업압력이 낮은 2성분 조업에는 적합하지는 않으나 상압(Moderate pressure)에서 증기(Vapour)를 응축한다든가 또는 다른 특정한 다상(Multiphase) Duty에서 적절하게 사용할 수도 있다. 단, 이 판형(Plate type) 열교환기는 Plate 둘레에 긴 Gasket 때문에 Vacuum 조건의 작업은 근본적으로 부적합하다. 또 하나의 단점은 Channel 간격이 좁기 때문에 부유고체 입자들의 크기가 제한되어야 하고 Frame cost가 높기 때문에 Plate 수가 10개 이하인 경우는 비경제적이다.

 

▶ 사용용도

＊ 판형(Plate type) 열교환기가 가장 유효하게 사용될 수 있는 분야를 정리해 보면

   -작은 온도차에서도 높은 전열효율이 요구될 때

   -유체나 공정 특성상 비교적 비싼 재질이 요구될 때 (SUS, Titanium etc) 

   -경량이며 작은 공간에 설치가 요구 될 때 

   -청소를 자주하고, 손쉽게 해야 하는 경우

 

＊ 주로 이 판형(Plate type) 열교환기는 액체와 액체의 열전달에 적당하지만 그렇다고 상변

화가 동반되는 경우는 사용을 못하는 것은 아니다. 주로 Service 유체로 수증기를 많이 사용하고 있고, Hydrocarbon 을 포함한 다른 증기(Vapour)들의 응축에도 사용할 수 는 있다.

 

＊ 지금까지는 주로 식품공업에서 널리 사용되어 왔지만 최근 몇년 동안 화학, 기피, 냉난방, 발전 그리고 조선공업에서도 급격히 증가되는 추세에 있다. 특히 유럽지역에서는 이 형태의 열교환기 사용이 보편화되어 있다.

 

＊ 다음은 판형(Plate type) 열교환기가 주로 사용되는 예를 들어 보면 다음과 같다.

 

＊ 매개 냉각 (Central cooling)

이는 판형(Plate type) 열교환기를 가장 많이 사용하는 곳 중의 하나가 매개냉각으로, 밀폐된 처리수를 가지고 Process 장치를 냉각하는 일인데 냉각수를 판형(Plate type) 열교환기에 통과 하여 냉매를 냉각시킨 다음 재순환시킨다. 이때 냉매로는 내부식성 재질이 요구되거나 심하게 오염된 유체도 사용 가능하다.

이 매개냉각의 이용범위는 해안의 석유정제，석유화학，화학，철강，핵발전등 다양하게 사용되고 있으며, 이 판형(Plate type) 열교환기의 Compact 한 성격이 독특한 장점으로 작용한다. 또 높은 NTU(Number of Transfer Unit)를 가지는 판형(Plate type) 열교환기가 최종 냉매와 냉각수의 온도차를 아주 작게까지 유지시킬 수 있는 것도 독특한 장점이라 할 수있다.

 

＊ 열회수(Heat recovery)

    -열회수 과정에서 Multi-pass 의 구성을 가지는 단일 판형(Plate type) 열교환기의 온도 Effectiveness 가 0.9 이상으로 높기 때문에 열 회수용으로 적당하며 다음과 같은 공정등이 있다.

    -Gas흡수 Plant (CO2, SO2, H2S)

    -증류 Plant - Feed / Bottoms 열교환기

    -산업 폐열로 지역난방에 이용

    -기타 섬유, 목재, 제지, 펄프공장에 이용된다.

 

＊ 해안 Platform

    -해안 Platform 에서 바닷물을 냉매로 사용하는 경우, 부식성 때문에 주로 판형(Plate type) 열교환기가 설치되는데, 이 열교환기는 매개냉각 뿐만 아니라 Gas를 포함하면서도 Wax기 성질이 있는 원유를 직접 냉각시킬 때도 사용된다. 이 원유는 3개의 상(Oil + Gas + Water)을 가지고 있기 때문에 예상되는 전열과 압력손실을 정확하게 계산하기 위하여 특별한 설계기술이 필요하다.

 

 ＊화학, 석유화학, 금속공정

    -고가인 재질을 경제적으로 이용할 수도 있고, 다른 여러 모양으로 조합할 수도 있기 때문에 판형(Plate type) 열교환기는 부식성 유체를 가열하고 냉각하는데 널리 사용되고 있다. 즉, 농축된 황산이나 그 밖의 산, 강한 가성소다나 그 밖의 알칼리성 용액 그리고 고온, 고염도의 소금물 등에서도 사용한다.

    -예) 비료, 안료, 석유화학, 정유, 약품, 유지 등

 

＊ 조선 공업 (Marine)

   -선박에서매개냉각 뿐만 아니라 엔진 냉각수나 윤활유를 직접 냉각시키기 위하여 판형 (Plate type) 열교환기가 사용된다. 바다에서의 다양한 하중에 견딜수 있는 견고한 구조 와 보전및 정비의 용이성 및 정교함이 장점이며 특별한 경우는 바닷물의 증류에 사용되기도 한다.

   -예) F.W cooler, L.O cooler, 등

 

＊ Heating 과 Ventilating

   -오늘날에는 HVAC 에도 판형(Plate type) 열교환기를 많이 사용하고 있다.

   -예) 지역난방 열분배장치, APT 냉난방 공조 및 급탕, 대중탕 등

 

＊ 식품공업

  -현재까지는 판형(Plate type) 열교환기가 거의 모든 식품산업을 위하여 존재한다고 하여도 과언이 아니다. 이 판형(Plate type) 열교환기는 위생문제가 완벽하고, 청소가 쉽고, 또 식품의 열분해 문제를 고려하여 많이 사용되고 있다. 청소의 용이성을 위하여 식품 공업에서는 Herring bone 보다는 Wash board 주름형태의 판형(Plate type)을 사용하고 있다.

    -예) 청량음료, 우유, 발효, 식용유 등의 살균

 

＊ 기타

섬유공업, 펄프제지 공업, 금속 기계공업, 원자력 발전설비 등

 

 

 

 

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