공조기 코일등 열교환기에서 증기압이 마이너스 압력(부압)이 될 수 있을까요?(극소차압에서의 응축수 배출)

공조기 코일등 열교환기에서 증기압력이 부압(마이너스압력)이 될 수 있나요?

 

대기에 비해 압력이 높은 쪽을...→정압 이라 합니다.

대기에 비해 압력이 낮은 쪽을...→부압 이라 합니다.

 

밀폐된 방에서 환풍기(배기)를 돌리면 부압이 됩니다.

반대로 흡기(방 안에 외기를 넣는다)를 하면 정압이 됩니다.

 

증기는 밸브를 열어 대기로 방출시키면 힘차게 내뿜습니다. 패킹누출 이나 핀홀 누출에서도 뿜어져 나오고 있습니다. 이런 현상은 곧, “증기는 대기압보다 더 높은 압력을 가지고 있다”라는 것입니다.

 

그럼 증기 압력은 반드시 대기압보다 높은 것일까요? 실은 대기압 이하의 증기도 존재합니다.

 

“높은 산에서 밥을 지으면 설익는다”는 말과 관계가 있습니다. 히말라야산 정상 등의 높은 곳에서는 기압이 낮기 때문에 끓는점이 내려갑니다. 100℃ 이하에서 끓어서 생긴 증기, 이것이 대기압 이하의 증기입니다.

 

100°C 이하의 포화 저온 증기란? (진공 증기란 무엇입니까?)

실제로 아래의 증기표를 통해서 확인해 보겠습니다. 포화 증기표를 보면 100℃ 포화 증기의 압력은 대기압 부근의 101.42kPa임을 알 수 있습니다. 그 와 동시에 100℃보다 낮은 온도의 증기가 있는 것을 확인할 수 있습니다.

진공 증기는 어떻게 만들어질까요?

온도가 100℃ 이하인 포화증기는 대기압 이하의 진공상태에서만 존재할 수 있기 때문에, 대기압력 이하의 증기배관→열교환기→스팀트랩→드레인 회수 시스템에서 증기시스템 자체를 감압하여 시작해야 합니다.

진공을 생성하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 진공 증기의 시스템에서는 전기 진공 펌프를 사용하는 것이 일반적입니다.

 

열교환기 내부(공조코일 등)에서 부압(負圧마이너스압력) 발생에 대한 관찰

한편, 증기를 사용하는 공조기 코일 내에서도 부압(마이너스 압력)이 발생할 수 있습니다.

이렇게

증기압이 부압(負圧 마이너스압)이 될 수 있다고 생각할 수 있는 것은, 포화증기가 매우 강한 냉기에 맞으면 단숨에 증기가 응축수로 되기 때문이라 할 수 있습니다.

 

증기와 물은 아시다시피 체적(부피)이 크게 다릅니다.

 

물은 증기로 되면, 용적이 크게 증가합니다. 즉, 증기와 물은 대기압 하에서 약 1,640 배의 부피 차이를 가져, 증기를 냉각해 물로 응축 되면, 부피가 1,640 배의 수축이 일어나며, 응축된 물은 증기였을 때 대비 0.6%의 공간만을 차지하고, 나머지 99.4% 의 공간은 빈공간=진공 을 만들어 내게 됩니다.

따라서, 공조기 코일내에서 포화증기가 응축수를 만나게 되면 1,640분의 1로 순간 응축이 될 것이며, 그것은 증기 체적이 물의 체적으로 바뀌는 것으로, 이 결과 증기압이 부압(負圧 마이너스압)으로 된다는 것입니다.

즉, 증기가 순간 응축하게 되면서 체적(증기체적→물 체적)이 바뀌어, 부압·마이너스압 발생 하게 됩니다.

결국은 이전에 발생된 응축수가 제대로 배출되지 않고, 코일내에 정체되어있는 결과로 발생한 것입니다.

기존의 트랩들은 차압이 여유있게 확보되지 않으면, 응축수를 말끔하게 배출 시키질 못할 것입니다.

 

 

그러므로 응축시에 순간적으로 빨리 체적(부피)이 줄면, 당연히 크게 압력이 줄어든다는 것을 알 수 있겠지요. (아마 P × V / T = Const. 일 것입니다.)

 

이럴 경우,  즉 진공에 가까운 낮은 압력까지 떨어지기에 열교환기 튜브가 파열될 수 있습니다.

 

◈ 「증기 배관 내에서의 포화 증기 변화 모습」은 아래 그림과 같습니다.

 

◈「증기가 응축수로 가득찬 관로에 증기가 혼입→응축수로 인해 식어서→단번에 물로 응축(=응축에 의해 체적이 1,640분의1 로 감소, 부압발생)→주위의 드레인이 몰리는 형태로 부딪친다=워터해머 발생」의 과정을 그림으로 설명

①증기가 응축수로 가득찬 관로에 증기가 혼입	②응축수로인해 식어, 단번에 물로 응축(부압발생)	③주위 드레인이 몰리며 부딪친다(워터해머발생)

 

구체적으로 상황을 살펴보면 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

 

▶ 보통 공조기 설비의 증기 흐름 (STEAM FLOW)으로서는 아래와같습니다.

  보일러→감압밸브→증기배관→증기헤더→증기배관→제어 밸브(C.V)→공조코일→스팀트랩→드레인회수관→드레인회수탱크→드레인펌프→보일러

 

공조기에 증기를 공급하고 있는 과정, 즉 말단까지 모든 부분이 잘 보온되어있는 상태에서, 증기가 보일러에서 감압 밸브를 거쳐, 즉 감압밸브에서 2㎏/㎠·g 로 감압하여, 증기 헤더로 이동된 후, 헤더에서 사용하는 장치(공조기)까지 2㎏/㎠·g 으로 이송해 갑니다. 즉, 증기 헤더를 통해서 각 공조기에 증기를 보내고 있는데, 운전 초기에 공조기(증기 코일)에 들어갈 때, 제어밸브가 100% Open시 2㎏/㎠·g 입니다.

 

▶증기 헤더를 통해서 각 공조기에 증기를 보내고 있는데, 목표온도에 도달되어 감에 따라 말단부(증기 코일)에 들어갈 때, 증기압이 -0.8 ㎏/㎠·g 로 압력게이지에 측정이 될 경우도 있을 것입니다.

2-Way Control Valve로 콘트롤하고 있으며, 25~50%정도의 개도로 운전하고 있으며, 2-Way Control Valve 바로 앞까지는 표면온도계로 117 ℃ 전후, 2-Way Control Valve 이후는 65 ~ 75 ℃까지 떨어져 있는 경우가 있을 것입니다. 이는 역시 어딘가에서 응축수가 정체되어 있다는 것 일 겁니다.

[제어밸브 입구측 배관 표면온도 117 ℃에 대응하는 포화 증기압은 0.807452 ㎏/㎠·g (Katm·G)로 추측]

만약 이렇다면, 배출되고 있던 응축수는 배관내에서 체류하지는 않을 것이며, 그 응축수는 마이너스압력의 영향으로 코일 내부로 끌려오겠지요?

이런 상태에서는, 새로운 증기는 거의 필요 없으니까, 조절 밸브가 닫힌 상태가 됩니다. 출구 트랩도 닫혀 있을 것입니다.

 

이런 상황에서, 어디에서 마이너스 압력이 형성되는 것일까요?

 

공조기 코일내의 증기에 의해서, 통과하는 공기를 따뜻하게 합니다. 이때 증기는 잠열을 방출하여 응축합니다. 그러면 체적(부피)이 감소하고, 코일내부는 대기압보다 낮아져 부압(진공)이 됩니다. 코일 내부가 진공 상태이므로 드레인이 코일 내부에 정체되어 있습니다. 그러므로 이 상태에서는 드레인의 밸브를 열어도 물도 증기도 나오지 않습니다. 증기로 가는 바이패스를 열면 코일 내부 압력이 상승하므로 배출됩니다. (드레인을 높은 곳(입상)으로 올리는 경우는 또 다릅니다만~.)

 

위에서 언급하였듯이 증기와 물은 체적(부피)이 크게 다릅니다. 공조기 코일은 열교환기이지만, 체적을 가진 탱크 같은 것이기도 합니다. 탱크 속은, 처음에는 증기뿐입니다 만, 잠시 후에는 증기의 일부가 외부에 열을 주어 응축하기 때문에, 증기 와 응축수가 공존하게 됩니다. 적은 부하를 충당하기 위해서, 더 한층 증기는 응축하여, 드레인 온도를 낮추어 코일 표면을 흐르는 공기에 열량을 줍니다. 이 상태가 계속되면, 증기와 응축수의 온도는 동일해 집니다. 그리고 외부로 열을 주면서 증기 와 응축수는 식어가는 것입니다.

 

그 다음은, 포화 증기의 성질과 보일 샤를의 법칙으로 동시에 압력도 낮아집니다.

 

증기제어밸브(C.V) 하류의 배관 표면 온도가 65~75 ℃ 이면, 이에 대응하는 포화 증기압은 마이너스 -0.74 ~ 마이너스 -0.60atm·G이며, 현장에서 압력게이지로 바로 측정된 부압(마이너스압력)에 가까운 값이 될 것입니다. 이 상태의 유지 시간은, 코일체적, 부하 및 트랩 작동타이밍 등으로 정해 질 것입니다.

 

이제까지 공조기에서의 부압현상에 대해서 앞에서 설명했습니다. 이해가 되는지요?

 

증기압은 100 ℃에서 대기압, 게이지 압력으로 0 ㎏/㎠ (=0.000948111㎏/㎠·g)입니다.

가열 코일이나 열교환기 내부는 100 ℃ 이하가 되면, 게이지 압력은 마이너스입니다.

일상적인 자연 현상입니다.

 

이 상태라면, 열교환기 안(내부)은, 증기로 채워져 있는 것이 아니라, 응축수가 상당한 수위로 되어 있을 것입니다.

최대 부하일 때는 증기가 많이 공급되어 100 ℃ 이상이 되면, 플러스 압력이 되지만, 일반적으로 부하가 그렇게 크지 않은 경우가 많기 때문에 대부분의 경우 부압이 됩니다.

35 ℃ 에서는 -0.975832 ㎏/㎠G, 20 ℃ 에서는 -1.00937 ㎏/㎠G 입니다. 증기표를 통해서 온도와 압력의 관계를 알 수 있습니다.

 

여기에서, 응축수를 배출하기 위해서는, Vaccum Breaker (진공 차단기)를 2-Way Control Valve의 뒤에 설치하는 방법도 있을 것입니다.

 

다른 방법으로써, 드레인 측에 응축수 회수 펌프(펌핑트랩이나 오그덴펌프 등)를 설치하여 증기원압 2kg/㎠·g 등을 공급하여 회수를 하는 방법도 있습니다.(증기 외에 다른 기체를 이용하기도 합니다.)

 

 

증기 감압 밸브의 출구는, 거의 단열 변화이기 때문에, 1 차측의 온도를 유지하고 있습니다.

그러나, 압력은 저하 하므로, 일부가 수증기 중에 더욱 수분이 되어 이송 될 가능성이 있습니다. 이 경우의 상태를, 습증기라고 부릅니다. (과냉각 상태) 또한, 이것을 펌프 등으로 흡입하면, 감압도가 가속되어 코일 바로 앞에서의 응축수의 양도 증가할 것 같은 생각이 듭니다.

[열동식 트랩(온도조절식 트랩: 벨로즈 트랩)은 물론이지만, 플로트 트랩에서도 리크 합니다]

 

아래의 그래프는 "기존 스팀트랩에 의한 증기 누출 손실"을 나타 냅니다.

 

공조기에 사용 중인 스팀 트랩 중에, 벨로즈형 트랩을 사용 중이라는 곳을 종종 접하곤 합니다. 

증기와 응축수의 온도차에 의해 벨로즈 내의 액체가 체적 변화하여, 벨로즈에 직결한 밸브를 개폐시키는 작동원리가 벨로즈형 트랩입니다.

 

작동 감도는 둔감하며, 간헐 작동형입니다. 배출 드레인 온도조절형이기에, 초기 증기 손실은 없으나, 경년 열화에 따라 증기 손실이 점점 증가하게 됩니다.

포화 온도보다 낮은 설정 온도에서  바이메탈,  벨로우즈,  다이어프램 등이 신축하여 드레인을 배출하기에, 설정 온도가 될 때까지 드레인이 식지 않으면 배출하지 않습니다. （정상작동 이라면 증기 누출 제로이나, 경년열화에 의해 증기손실이 점점 증가하며, 드레인 체류가 발생합니다.

・ 난방, Trace를 주목적으로 개발되었으나. (드레인의 현열도 이용 가능.)

・ 열효율을 요구하는 부분 (드레인을 제대로 배출해야 장소)에는 부적합입니다.

 

특히, 배출 드레인 온도 조절 형 이기에, 셋팅 온도가 될 때까지 응축수가 배출되지 않고, 정체 되어 있기에, 공조기 온도 상승 저해는 물론이거니와,  워터 해머 및 스톨 현상 다발(多發)은 물론, 코일손상 발생할 확률이 매우 높습니다. 

증기는 각 지역으로 수송될 때 중간에 에너지를 잃게 됩니다. 어떤 경우 (실제 상황을 보지 않으면 이해할 수 없지만), 스팀헤더와 2-Way Control Valve와의 거리가 10~20m 거리가 있다면, 이 구간에서 발생한 응축수를 제거해 주도록 TCV (PCV) 전단에 트랩포트를 설치하고, 이곳에 응축수 연속 배출시키는 고정오리피스식 스팀트랩인 “O-TRAP”을 설치하여 응축수를 제거해 최대한 건증기 상태로 공조기 코일로 공급해 줄 것을 추천합니다.

또한, 공조기 코일에서 발생한 응축수를 배출시키는 스팀트랩으로서 벨로즈 트랩 이나 플로트 트랩을 사용하지 말고, 응축수 연속 배출식인 고정오리피스식 스팀트랩인 "O-TRAP”을 설치하여, 그 연결 접속을 대기 개방하거나, 또는 스팀트랩 이후의 응축수 회수 본관에 연결 접속 하는 것 만으로 응축수 배출이 정체되지 않고 차압(ΔP)이 존재할 때까지 배출시킵니다 (고가의 펌핑트랩들 보다 더 에너지 절약), (회수 펌프 불필요합니다).

 

열동 트랩은 개방상태이며 이것들이 모여(집합되어)있는 것은 전체를 하나의 회수장치 (파워 트랩 또는 오그덴펌프=펌핑트랩)로 되어있는 것과 같은 것입니다.

이런 걸 그룹 트래핑이라고 하며, 진공도에 차이가 있는 증기 환수 라인이며, 바람직하지 않는 대표적인 사례라 할 수 있습니다.

 

또한, 파워 트랩(오그덴펌프, 펌핑트랩)을 설치해 사용한다면, 각 기기 개별적으로 진공 파괴 (진공 차단기 또는 체크 밸브)를 설치(장착)하는 것 만으로 해결할 수 있을지도 모릅니다.

잠정 개방하여 확인 후, 응축수 환수 라인에 접속하는 것이 좋다고 생각합니다.

 

고정 오리피스식 트랩인 「O-TRAP（오・트랩）」 은, 

응축수 배출 환경에 맟추어 설계하기 때문에, 차압이 거의 없는 장소（0.05MPa）에서도 10톤 이상의 응축수를 부드럽게 배출합니다.

응축수를 강제 배출하기 위한 기기（파워트랩: Power Trap）나 주변 배관을 폐지함으로써、가동에 필요로 하는 에너지・보전 비용 등을 절감할 수 있습니다.  O-TRAP 으로 교환 설치 후, 재증발 증기/생증기 감소여부를 직접 점검하여 보시길 바랍니다. 많이 감소할 겁니다.

 

O-TRAP 은 응축수를 연속 배출하기 때문에, 전열면에 응축된 응축수의 흐름이 원활하게 되어, 드레인 경계막의 두께가 더욱 얇아져서, 안정적으로 열 전달하기가 쉬워집니다. 이 의미는 증기 에너지 효율성이 높다는 의미입니다. 따라서 연료비 절감에 영향을 미치게 됩니다.
한편, 간헐 배출 형 기존 트랩은, 폐쇄 시 응축수의 흐름이 정체됩니다. 밸브의 개폐에 의해 드레인 경계막의 두께도 증감하여, 평균적으로 O-TRAP 의 경우보다 드레인 경계막이 두껍게 됩니다.

기존 트랩들은 전 기종 모두, 트랩에 유입된 응축수의 흐름 방향과, 드레인 배출 구멍의 흐름 방향과 일치하지 않고, 트랩 내에서 여러 번 흐름 방향이 굴절하는 타입도 많고, 또한 배출 구멍의 직전에 구멍을 폐쇄(막는)하기 위한 장치가 있기 때문에, 국부적인 소용돌이 흐름의 난류가 곳곳에 발생하여, 드레인의 흐름을 방(저해)해하고 있습니다.

 

O-TRAP 의 경우, 트랩에 유입되는 응축수의 흐름 방향의 중심선 상에 배출 구멍이 상시 개방하고 있기 때문에, 드레인이 원활하게 축류(縮流) 하여 구멍을 통과하기 때문에  워터 해머 및 스톨 현상은 물론, 코일 손상 발생률이 현저히 낮아 집니다.  O-TRAP은 간단 구조이기 때문에 공기 배제의 측면에서도 매우 적합합니다. 이것은 대단히 큰 메리트라 할 수 있습니다.

 

증기를 사용하는 곳에서 "스팀트랩의 역할"이 매우 중요합니다. 

그래서 어떤 트랩을 선택해 사용할 것인가?

즉, 값 싼 트랩을 선택해 고가의 열교환기 본체의 수명을 짧게하고, 열에너지효율을 저하시켜, 연료비를 높혀 제품단가를 높이게 되어 제품의 경쟁력 약화는 물론, 이산화탄소 배출을 많이 배출하는 결과를 초래하여 지구 온난화에 일조하는 것을 선택할 것인가?

아니면, 트랩의 구입가격이 높더라도, 고장나지 않아 트랩 수명이 길고, 유지·보수도 간단하고, 열효율이 높아 연료비를 적게하는 즉, 이산탄소 배출을 줄여주는 친환경 트랩을 선택할 것인가? 

 

최근의 국제 정세 등으로 인해 연료비 상승이 매우 엄중한 시기입니다.

이제 기존의 값싼 소모품성 스팀트랩을 선택하는 것보다는 스팀트랩의 기능을 제대로 수행할 수 있는 트랩을 설치하는 지혜를 가져야 할 시기임을 인식해야 할 것입니다.

 

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스팀 트랩의 응축수 배출 능력은, 그 출구ㆍ입구의 압력 차이에 의해 결정되지만 입구 압력은 그 상류에　있는 장치에 공급되는 증기 압력과 그 장치의 부하 변동에 따라 변화합니다. 특히 장치(열교환기) 등의 증기 공급 라인에 자동 조정 밸브(자동 콘트롤 밸브)가 설치되어, 증기 공급이 부하에 따라 제어되는 경우는 경부 압력이 크게 저하 될 수 있습니다. 따라서 조정 밸브가 좁혀지고, 하락 압력을 안전하게 마무리하는 과정에 따라(부하변동에 따라) 즉, 운전 중의 압력 변동에 대해서 더욱이 스팀트랩은 양호한 작동을 유지해야 합니다. 스팀 트랩은 또한 그 하류 측의 압력 (배압)과 그 변동에 대해서도 양호한 작동을 유지해야 합니다. 스팀 트랩의 출구 측이, 긴 응축수 배출 라인에 연결되거나, 높은 입상 배관에 설치되거나 하여, 응축수 회수 라인에 이끌림 등도 많이 볼 수 있습니다. 이러한 경우는 스팀 트랩 출구 부에 유로 저항과 수두압(水頭圧) 회수 대상 유압 장치 등에 의한 배압이 발생합니다. 더구나 중요한 것은 스팀 트랩에서 배출 된 응축수의 일부가 플래시 증기가　되어 배압을 발생해 낼 것입니다.

 

이러한 배압의 정도를 파악하여 적절한 「최소 작동 차압」 혹은 「최저 사용 압력」을 가진 스팀트랩을 선정해야 합니다.  기존의 기계식 스팀 트랩들은 최저 작동 압력에 대응하기 어려우나, 고정오리피스식 스팀트랩인 O-TRAP 은 극소차압 즉, 차압(△P)이 조금이라도 존재하는 한, 응축수 배출을 할 수 있도록 설계를 하기 때문에, 그 「극소차압 조건」에서 응축수 배출 작동을 무리없이 수행합니다.

 

극소 차압에서의 응축수 배출　～Power Trap 폐지에 따른 Running Cost Down 예

밸브체를 갖지않는 고정 오리피스식 트랩인 「O-TRAP（오・트랩)」은, 응축수 배출 환경에 맟추어 설계합니다. 그래서 차압이 거의 없는 장소 (△P 0.05 MPa)에서도 10톤 이상의 응축수를 부드럽게 배출합니다.

응축수를 강제 배출하기 위한 기기（파워트랩: Power Trap）나 배관을 폐지함으로써、가동에 필요로하는 에너지・보전 비용을 절감할 수 있습니다.

 

 

 

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