스팀트랩 선정 과 필요 배출량 계산, 증기트랩 선정 과 스팀트랩의 드레인 배출 능력(량) 계산 방법

    스팀 트랩 선택 및 필요한 응축수 배출량 계산   

일반적으로 사용하는 증기 배관(파이프)에서 발생하는 증기 응축수(드레인)은 어떻게 배출될까요?

증기를 열원으로서 사용하는 공장이나 시설 관계자 라면, 이런 의문을 갖는 분들이 계실 것으로 생각합니다. 답은 증기로부터 증기 드레인 (응축수라고 함)을 자동으로 배출하는 "스팀 트랩"이 작동한다는 것입니다.

"스팀 트랩"이라고 불리는 제품은 크기는 작지만 자동으로 드레인을 배출 할 수 있으므로, 많은 증기 주관 (메인 파이프), 증기로 가열시키는 자켓솥이나 건조기, 열교환기 등 장치에 설치되어 있습니다.

스팀 트랩은 모양과 작동 방법이 다르며, 용도와 목적에 따라 설치되지 않으면, 스팀 사용 효율이 감소하고 에너지 손실이 증가합니다.

스팀 트랩에는 세 가지 목적이 있습니다.

놀랍게도 알려지지 않았지만, 증기 사용에 없어서는 안될, 스팀 트랩의 세 가지 역할이 있습니다.

표 1 스팀 트랩의 역할

역할	그 역할이 필요한 이유?
발생된 증기 드레인을 신속하게 배출.	➀고속으로 흐르는 증기가 드레인을 휘감아, 배관 내나 기기에 충돌하는 "워터해머"를 방지합니다. ➁열 이용을 저해하는 드레인을 배출하여, 피가열부 에서의 가열 이용을 최대한으로 함.※
증기가 새지 않게 자동으로 증기 드레인을 배출.	➀증기를 버리면서 증기 드레인을 배출하는 게 아니라, 드레인 만을 시스템 밖으로 배출 할 수 있으므로 에너지 절약 효과가 있습니다. ➁자동으로 드레인을 배출하기 때문에, 조작 불필요로 대량으로 스팀 트랩을 설치할 수 있다.
공기와 같은 불활성 가스를 배출.	➀증기 가열 표면에 공기층이 형성되어, 열전달률 저하가 발생하는 것을 방지한다.  ➁공기가 스팀과 공존하면, 그만큼 압력으로 스팀의 압력이 저하되어 버린다. 그 스팀 압력 저하에 수반하는 온도 저하를 방지한다.

※포화 스팀은 「잠열」과 「현열」을 이용할 수 있습니다. 한편, 스팀 드레인은 이미 현열을 잃은 상태이므로, 「현열」 밖에 이용할 수 없습니다. 그 때문에, 증기를 가열원으로서 이용하는 경우는, 포화 증기를 사용하는 것이 대부분입니다.

 

「공장에서 증기 가열 장치를 설치하고 싶지만, 스팀 트랩은 어떤 타입을 선택해야 하는가?」

 

라고 생각하며, 곧바로 트랩 메이커에 문의할 것이 아니라, 어느 정도 상정하고 난 후에 메이커에 문의 할 것을 추천 합니다.

 

스팀 트랩의 작동 원리와 특징

스팀트랩의 작동원리에 대해 크게 나누면 다음의 3가지 분류로 나뉩니다.

 

이 분류는 알아 놓으면 알기 쉽게 됩니다 만, 한층 더 세분한 명칭(버켓식 등)을 우선해 이해해 두도록 합시다.

 

표: 스팀 트랩의 종류 소개

주요 분류	작동 원리	세분화 분류	주석
메카니컬식 (기계식) Mechanical Type 机械式	증기와 증기 드레인의 비중 차	버켓식	상향식 버켓 하향식 버켓
		플로트식	레버 달린 플로트 프리 플로트
온도 조절식 热静力式 Thermostatic Type	증기와 증기 드레인의 온도 차	바이메탈식 벨로우즈식	직사각형  디스크 원판형
열역학식 Thermodynamic Type 热动力式	증기와 증기 드레인의 비중량 차,  유체의 저항 차, 또는  증기 드레인의 재증발 작용	오리피스식	고정오리피스식 벤츄리 노즐식
		디스크식	옥외 공기 냉각형 자켓형

 

【기계식 타입】버켓 타입과 플로트 타입 스팀 트랩

기계적인 외관은, 다른 스팀 트랩보다, 한 사이즈 더 큰게 특징입니다.

버켓식과 플로트식의 공통된 특징은 다음 3가지 입니다.

1. 과열 증기를 이용하는 경우에는, 내부에서 플래시(재증발)하여 증기 누출을 일으키기 쉽다.
2. 연속 배출에 강하다 (항상 대량으로 드레인이 발생하는 탱크의 가열 자켓에 효과적)
3. 플로트 나 버켓은 내부에서 오작동 하는 경우가 있기 때문에, 진동에 취약합니다. 요컨대,이 타입은 많은 양의 드레인을 배출 할 수 있으며, 중단 없이 드레인을 지속/연속적으로 배출 할 수 있는 타입이라고 파악해 두길 바랍니다.

그림 : 하향식 버켓 트랩의 작동 원리 (플로트식도 거의 동일한 작동 원리입니다)

 

 

【온도 조절 타입=서모스태틱식】바이메탈 타입과 벨로우즈 타입 스팀 트랩

온도조절식(서모스태틱식)은 증기가 증기 드레인으로 변할 때 열 발산으로 인해(방열로 인해) 떨어지는 온도 차이 (약 10℃ ~ 20℃)를 감지함으로서 작동합니다. 따라서, 증기와 증기 드레인이 포화 증기 로 되어있는 경우에는, 온도 차가 생기지 않아, 스팀 트랩은 작동하지 않습니다. 거기에서 응축이 일어나, 서서히 온도차가 생긴 후에 작동하게 됩니다. 따라서, 온도 조절식(Thermostatic Type) 증기 트랩의 취급에 대해서 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 드레인이 쌓여, 방출할 때 까지 약간의 시간차이가 있기 때문에, 급격한(갑작스런) 부하 변동이 있는 곳에서는 적합하지 않습니다.
2. 증기의 누출이 거의 없습니다 (증기의 누출이 없기 때문에, 에너지 절약 효과는 높습니다).
3. 스팀 트랩을 보온 등으로 덮지 마십시오. 드레인 냉각이 안되어, 트랩 오작동 일으킵니다.

이 온도 조절식(Thermostatic)는 소형이며, 증기 누출도 거의 없지만, 사용할 수 있는 압력에는 한계가 있어서, 사용 빈도로서는 낮습니다(드물게 사용됩니다).

 

그림: 바이메탈식의 작동 모식도

 

【열역학 타입=서모 다이나믹식】디스크식형 스팀 트랩

스팀 트랩의 구조가 단순하고 소형임에도 불구하고, 가열 증기에도 사용할 수 있기 때문에, 증기 주 배관(스팀 메인 배관)에도 사용되는 게 많으며, 사용 빈도는 다른 스팀 트랩 중에서 가장 높습니다.

내부 구조는 디스크가 있는 변압기 실과 그 자켓의 유무에 따라 「외기 냉각형」, 「증기 가열 응축수 냉각형」 및 「공기 보온형」의 3개의 형상이 있습니다. 외기 냉각형에는 자켓이 없으며, 나머지는 증기 와 공기에 의해 외부 공기의 영향을 받지 않도록 되어있습니다. (자켓 이외의 구조는 거의 동일하다고 생각해도 무방합니다)

그 구조는 다음과 같습니다.

 

그림: 디스크 스팀 트랩의 구조.

디스크식 스팀 트랩의 작동 원리는 다른 스팀 트랩에 비해 조금 더 복잡합니다.

디스크 밸브를 여는 작용과 디스크를 닫는 작용에 대해 설명합니다.

 

표: 디스크 밸브를 여는 동작과 닫는 동작에 대해

디스크 밸브를 여는 작용	➀ 드레인이 디스크 밸브 아래로 유입되는 충격력 ➁ 변압실의 드레인이 식어, 변압실 내의 압력 저하
디스크 밸브를 닫는 작용	➀ 증기 배출로 인한 유속의 증가로 인해, 밸브 아래의 압력이 저하 ➁ 변압실의 증기 가열에 의한, 변압실의 압력 상승

 

그림 : 디스크 스팀 트랩의 작동 원리.

또한, 디스크식 스팀 트랩은 구조가 간단하고, 다른 타입에 비해 저렴하지만, 설치상의 주의점이 있습니다.

주의점 1 : 디스크 밸브를 닫을 때, 증기가 약간 동반 배출되기 때문에, 증기 손실이 발생합니다.

주의점 2 : 외부 공기의 영향을 줄이기 위해, 스팀 트랩에 보온 시공이 필요 할 경우도 있으므로 제조업체에 확인해야 합니다.

주의점 3: 공기가 혼합되어있는 스팀 라인에는 디스크 밸브가 열리지 않는 트러블(공기 장애)가 발생하므로, 주의해야 합니다.

주의점 4 : 증기의 시동 중(스타트업시)에 스팀 트랩의 1차측에 냉각 된 드레인이 쌓여있는 경우, 밸브 몸체가 열리지 않는 드레인 잠금 현상(드레인 로킹현상)이 발생합니다. 그 대책으로, 드레인 배출 라인을 스팀 트랩의 1차측에 준비해야 합니다.

 

위 사항에 주의하여 디스크 스팀 트랩을 선택 하십시오.

 

 

【열역학 타입=서모 다이나믹식】고정오리피스식의 스팀 트랩 (O-TRAP)

고정오리피스식 스팀 트랩(O-TRAP​)은 기존의 Steam Trap 처럼 작동 밸브를 사용하지 않고, 최대 드레인 발생량 배출에 맞는 크기의 원형 구멍의 개구면적을 설계하여, 드레인 만을 배출시키는 구조의 획기적인 응축수 배출 장치입니다. 작동 밸브가 없어 구조가 단순하기 때문에, 고장이나 증기 누출이 발생하지 않고, 대용량의 드레인에도 "소 구경"으로 대응할 수 있는 것이 특징입니다. 차압(ㅿP)이 존재하는 한 응축수가 배출이 되기 때문에, 이런 점을 잘 응용하여 설계를 하면, 일반적인 높이의 응축수 회수관이나 응축수 탱크 높이 (배압 형성 등 환경압력) 때문에 사용해야 했던, 고가의 펌핑 트랩(=파워 트랩, 메카니컬 트랩 등)을 굳이 설치하지 않아도, 응축수 배출에 지장이 없도록 엔지니어링(설계)을 하여 응축수 배출 능력이 확보된다고 판단되면, 펌핑트랩을 설치하지 않고, O-TRAP 만으로 설비 운용할 수 있을 것입니다.

 

고정오리피스 타입 스팀트랩인 O-TRAP 은, 엔지니어링 된 응축수 연속 배출 장치 이기 때문에, 증기 손실을 최소화하면서 응축수는 물론, 공기 나 기타 모든 비응축성 가스도 배출 합니다.

최대 열효율로 응축수 부하를 배출하기 위해, 특정 응용 분야에 대해 고정 오리피스 크기(Size) 가 계산됩니다. 

 

고정오리피스식 스팀트랩인 O-TRAP은 구조가 단순하고 소형임에도 불구하고 과열 증기에 대해서도 사용할 수 있기 때문에, 스팀의 메인 배관(주배관)에도 매우 많이 사용되며, 증기를 대량으로 사용하는 가열 장치용 열교환기 및 건조기 등에 사용되는 빈도는 다른 스팀 트랩들 보다 월등하게 높습니다.

 

	기존의 스팀 트랩	오리피스식 트랩 (O-Trap)
1	동반 증기를 필요로 한다. (드레인 배출에 필요한 증기)	동반 증기는 필요로 하지 않는다. (압력차이로 드레인만을 배출)
2	초기성능이 2~3개월에서 부터 노화 시작	초기성능이 15년 이상 수평 유지
3	내구성 년수 : 2~3년	내구성 년수 : 20년 이상의 유지 능력
4	워터 해머의 발생	워터 해머의 해소
5	열효율 향상은 곤란	열효율의 향상 (평균 15%)
6	배관구경으로 기종 선정	압력차(ΔP)와 드레인량으로 모델 선정
7	유지관리가 정기적으로 필요	유지관리가 원칙적으로는 불필요

 

내부 구조는 오리피스 구멍 만이 있는 구조입니다.

그 외 매우 소형이기에 증기나 공기에 의해 외기의 영향을 그다지 크게 받지 않게 되어 있습니다. 

그 구조는 아래에 나와 있습니다.

 

Fixed Orifice Type Steam Trap(고정 오리피스 식 스팀트랩) O-TRAP 의 기본 구조

• 소모 부품인 뚜껑(가동부)를 갖지 않아、기능이 떨어지는 일이 없습니다.

• 뚜껑의 개폐 대신 、 배출구 (구멍)의 면적으로 드레인 만을 배출합니다.

• 배출 구경 설계를 위한 、드레인량(증기 소비량)의 데이터가 필요합니다.

 

 

※ 배출 구멍(오리피스)의 구경을 증기가 새지 않고、드레인을 모두 배출 할 수 있는 크기로 설계

 

배출 구멍(오리피스)의 구경을 증기가 새지 않고、드레인을 모두 배출 할 수 있는 크기로 설계

 

◇ 개선 효과 확인

고정 오리피스식 트랩(O-TRAP) 설치 후에, "설치 전 Base Line 연료 소비량"과 "설치 후의 연료 소비량"을 비교하여 개선 효과를 확인 합니다. 또는  "설치전 Base Line 증기소비량"과 "설치후 증기소비량"을 비교.

 

※ 참고 사이트 : 고정 오리피스 식 스팀트랩(O-TRAP)에의한 효과적인 증기 에너지 절약 방법 소개-고정오리피스식 트랩의 도입 및 관리    https://blog.naver.com/tjchung/221377213364  (☜클릭!!)

 

 

아래에 소개된 스팀 트랩 각 모델 별의 특징 및 설치 대상 (예) 와 해당 기능이 요약되어 있습니다.

 

표: 각 스팀 트랩의 특징 및 설치 대상에 대해서

대분류	특징	설치 제약 조건	설치 대상(예)
버켓식	・비교적 대형 ・과열 증기에 부적합 ・가연속배출이 가능 ・배출능력이 크다	・수평 설치 필수 ・진동 장소를 피한다 ・보온 시공작업 필요	・증기 수송 파이프 ・열교환기
플로트식
바이메탈식	・증기동반손실 적다 ・드레인의 현열 이용 ・급격한 부하 변동에 추종할 수 없다 ・작동 소음이 작다	・어떤방향으로도 설치가능 ・보온 필요 없음	・스팀 트레이스 ・100℃ 이하인 증기사용 온도로 드레인이 소량인 장비
디스크식	・소형, 심플한 구조 ・저렴 ・과열증기에서도 사용할 수 있음 ・증기 동반 손실 크다	・드레인 록킹대책이 필요 ・보온 시공 작업 필요	・증기 메인배관 ・스팀 트레이스
고정오리피스식	・움직이는 부위가 없는 단순 구조 ・증기 동반 누설이 거의 없다 ・부품이 없는 단순 구조여서, 고장이 거의 없어 수명이 매우 길다 ・워터해머 발생 거의 없음  ・부하변동에 민감하게 작동 함 ・배출능력 ∝ 대응 가능 ・심플구조·소형이라 설치면적 최소화 ・과열증기에서도 사용할 수 있음	・정확한 사양 파악 필요 ・증기압력, 증기(열)소비량, 배압 등의 사양을 모르면, 이 트랩은 사용할 수 없음 ・최대 응축수 발생량에 맞춰 오리피스 구경을 선정 ・어떤 방향으로도 설치가능	・관말・헤더 ・증기 메인배관 ・스팀 트레이스 ・열교환기

 

필요한, 스팀트랩의 배출(량) 능력 계산은 간단 합니다.

스팀 트랩에서 얼마나 많은 드레인이 발생하는지 계산해 보겠습니다.

드레인이 발생하는 일반적인 케이스로서, 다음의 두 가지 경우를 상정합니다.

 

케이스 1 : 스타트업(워밍업)시의 배관이나 기기의 가열에 의한 드레인 발생량.

시동시(스타트업시)에는 증기가 통과하는 배관(파이프) 이나 기기(장비)의 온도는 바깥 공기나 다름없는 온도로 되어 있습니다. 그 배관(파이프) 와 기기(장비)를 증기 온도까지 가열할 때에 증기의 열량이 소비되어 증기 드레인이 되는 것입니다.

그 드레인 양은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

 

드레인 발생량(kg) = 배관등의 전중량(kg) x 배관등의비열(kcal/kg/℃) x (증기온도℃ - 외기최저온도℃) ÷ 증기잠열(kcal/kg) 

 

이 계산에 의해 산출되는 드레인의 발생량은, "드레인 양의 총량"을 나타냅니다.

따라서, 스타트 업을 어느 정도의 시간으로 실시할 지를 상정하여 시간당의 드레인 발생량 kg/hr 를 계산해 주세요.

예: 5분 만에 스타트 업을 실시하는 경우는, 시간당 드레인 발생량 = 드레인 발생량(kg) × 60/5 가 됩니다.

 

케이스 2: 증기 사용시의 외부 공기로의 방열에 의한 드레인 발생량

운전시에 증기를 운반하는 도관(導管)은, 대기로 열을 방출하는 만큼, 상시 드레인이 발생합니다. 그 경우에도 충분히 배출 할 수 있는 스팀 트랩을 선정할 필요가 있습니다.

 

그 공식은 다음과 같습니다.

 

드레인 발생량 (kg/hr) = 방열량 Q (kcal/hr) ÷ 증기 잠열 (kcal/kg)

방열량 Q (kcal/hr) = (증기온도 ℃ - 외기온도 ℃) ÷ 열저항 R (m-h-℃/kcal),

열저항 R (m-h-℃/kcal) = 1 ÷ (2 x π) x {(1 ÷ 보온재열전도율(λ) (kcal/m·hr·℃)) x Ln(보온재내경 m) + 2 ÷ (보온재외경(m) x 열전도율(α) (kcal/㎡·hr·℃) }

 

★ 참고 사이트: https://blog.naver.com/tjchung/222716793527 

 

    주증기 배관의 증기 소비량 계산 방법, 증기 주 배관 드레인발생량 계산 방법

 

 

주증기 배관의 증기 소비량 계산 방법, 증기 주 배관 드레인발생량 계산 방법

 

 

* 보온단열재의 열전도율 λ 는 JIS A 9510 를 참조. 대략 0.058 kcal/m/h/°C 정도.

* 열전달 율은 다음과 같이 대략적인 추정치를 구하십시오.

   보온단열재 주변의 열전달 율 [kcal/㎡/h/℃] = 외기온 과의 차이로 인한 다음 표의 값 α

 

표: 외부 공기 온도와의 차이로 인한 열전달 계수 [kcal/㎡/h/℃]

단열보온재의 외표면과 외기 온도의 차이 [℃]	20	40	60	80	100
α	20	21	23	24.6	26.6

이상으로부터, 케이스 1 및 케이스 2에서 얻어진 드레인 발생량 중, 더 큰 쪽의 값이 필요 배출량 kg/hr 이 됩니다.

기기를 선정할 때 필요한 배출량에 안전율 을 곱하여 기기 선정을 합니다.

기기 선정 조건은 필요 배출량 × 안전율 < 장비의 정격 배출량(능력=capacity) 입니다.

안전율은 연속 작동의 경우 1.5 이고, 간헐적 작동(단속 운전)의 경우는 3 으로 하는 게 좋다고 생각합니다.

트랩 제조업체에 기기의 정격 배출량(능력표)을 요청하면, 그래프(=응축수 배출 능력표)를 제출해 줄 것임으로,  반드시 확인하시길 바랍니다.

 

 

 

 

O-TRAP 관련 상담 문의 ;

Tel : 070-7747-8290, 010-3368-0303

E-Mail : tjchung@naver.com

홈페이지: http://k.o-trap.cn