증기 시스템에 있어서의 잠재적인 과제가 되고 있는 스톨현상을 소개합니다. ②
1 스톨 현상이란
스톨 현상이란, 증기 사용 장치로부터 드레인이 정상적으로 배출되지 않는 현상을 말합니다. 영어 스톨(Stall)에는 멎다, 멎게하다, 정지하다 라는 의미가 있으며, 증기 사용 장치에서는 드레인의 흐름이 멈추는 것을 의미합니다.
스톨 현상은 공장, 빌딩, 병원 등의 열교환 설비나 공조 설비 등에서 일어나기 쉽지만, 히터의 온도저하나 천공(구멍뚫림), 워터해머 발생 등이 나타나지 않는 한, 많은 사람들이 이 문제를 간과하기 쉬우며, 문제가 표면화되지 않더라도 잠재적인 문제가 2가지 존재하고 있을 가능성이 있습니다.
첫 번째는 피가열물질의 온도 불균일 입니다.
스톨 현상에 의한 드레인의 체류에 의해 히터 상부와 하부에서 온도차가 발생합니다. (그림1)
두 번째 문제는 장치 그 자체에 부정적인 영향(악영향)입니다.
드레인이 체류한 히터 내에, 고온 증기가 흘러 들어가면 증기의 급응축에 의한 워터 해머가 일어나, 결국 히터를 파손시킵니다.
또, 히터가 고온과 저온을 반복하는 히팅 사이클에 의해 열 피로를 일으켜 용접부의 균열이나, 드레인 체류에 의한 부식으로 인해 코일에 구멍이 뚫리는 등의 트러블도 있습니다.
이러한 트러블은 장치의 운전 정지에 의한 생산 기회의 손실이나, 고액의 수리비 발생 등 막대한 비용 손실로 이어집니다.
2 스톨현상이 발생하는 메커니즘
스팀 트랩이 정상이더라도 스톨현상은 일어나고 맙니다. “스팀 트랩의 작동 조건” 은 트랩입구(1차측)와 트랩출구(2차측)에서 일정 차압이 확보되어 있는 것이지만, “스톨현상”은 이 상태가 확보되어 있지 않은 상태입니다. 이런 일이 발생하기 쉬운 상황으로서는, 온도 제어되고 있는 피가열물의 설정 온도가 낮고, 설비의 전열 면적이 필요 열량에 대하여 과대한 경우입니다.
스톨 현상의 발생 메카니즘을 이해하기 위해, 그림2 (A,B,C,D)에서 공조기를 예로 설명합니다.
아래에 순차적으로 설명~;
공조기를 가동하여 증기를 공급하기 시작하면, 점차 공기(에어)의 온도가 올라갑니다⑴.
온도 센서로 승온을 감지해 증기 입구의 제어 밸브의 개도는 좁혀집니다.
한편, 에어 히터 내의 증기는 열을 빼앗겨 점차 내압이 내려갑니다. 내압이 내려가면 히터 출구의 스팀 트랩 전후의 압력차가 감소하고 ⑵.
그 결과 드레인은 스팀 트랩으로부터 배출되지 않고 코일 내에 체류합니다 ⑶.
이것이 스톨 현상의 발생 원인입니다.
그 후, 공기(에어)의 온도가 내려가기 시작하고, 온도 센서가 감지하면, 제어 밸브가 거기에 맞추어 개도를 크게 하고, 히터 내의 증기 압력이 상승함으로써 스팀 트랩에서 드레인이 배출되며, 다시 설정 온도로 상승 따뜻해 집니다 ⑷.
이 일련의 사이클을 반복함으로써 워터 해머와 천공(핀홀)이 발생합니다.
즉, 스톨 현상은 「트랩의 작동차압(트랩 전후의 압력차)이 없어져, 트랩에서 응축수가 배출이 되지 않고 열교환기 내에 정체 해버리는 현상」입니다. 스톨현상으로 인해, 드레인 체류가 되어 그로 인해 부식이 발생하여 동파이프 핀홀, 크랙이 발생 하여, 특히 동파이프 끝부분에서 많이 발생하여 히터(열교환기)의 수명이 짧아진다는 것입니다.
| 그림2 스톨발생의 메커니즘 | |
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“스톨 현상"이라는 것은 그 밖에도 설계 초기에 문제없이 잘 운영되었더라도, 가동 상황 변화에 따라 발생할 수 있으며, 트랩의 2차 측에 배압이 걸리는 경우 등 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다.
이러한 현상으로 어려움을 겪고 계시다면 부디 부담 없이 상담해 주십시오.
3 스톨을 해소하는 증기 시스템의 최적화 방법
위에서 설명한 스톨 현상으로 인해, 스팀 트랩의 입구와 출구의 압력차(ㅿP)가 없어졌을 때, 어떻게 드레인을 배출해야 되는지를 설명합니다.
열교환기 내에 응축수가 정체되어 있는 상태를 해소하고 싶은 것이기 때문에, 「트랩의 1차측 압력 小 〈 트랩의 2차측 압력 大」 이라고 한다면, 응축수의 배출이 안되기 때문에 「트랩의 1차측 압력 大 〉 트랩의 2차측 압력 小」 이 되게 하면 배출 됩니다.
스톨 현상을 발생시키지 않는 해소 대책은 아래와 같습니다.
▶ 첫 번째 조치는 고정 오리피스식 스팀 트랩(O-TRAP)으로 교체 설치한다
→ 오리피스식 트랩 "O-TRAP"은 소비증기=드레인 을 규정 압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장하므로 안정적으로 응축수를 배출시키기 때문입니다.
→ 이것은 스팀트랩 중에서도 가장 차압이 적어도 작동하기 때문입니다.
증기차압(ㅿP)이 존재하는 한, 응축수를 지속적으로 배출시키기에 가장 적합한 트랩입니다.
참조 사이트 ;
⑴ https://blog.naver.com/tjchung/221051929764
⑵ https://blog.naver.com/tjchung/221355459644
⑶ https://blog.naver.com/tjchung/220091042578
⑸ https://blog.naver.com/tjchung/222017735566
⑹ https://blog.naver.com/tjchung/222247898388
▶ 차선책으로, 예전 방식인 기존의 펌핑트랩 사용만을 고집하는 경우에는, 파워 트랩(펌핑트랩=메커니컬펌프=오그덴펌프) 이나 진공 펌프 등으로 강제적으로 드레인을 배출한다. → 이 방법으로 해결되지 못하는 곳도 많습니다. (즉, 펌핑트랩을 도입하는 방법:그림3) → ※현장분들께서 해결되지 않는다고 불만 많은 듯~합니다.
이것은 부압의 드레인이 자중으로 펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)내로 흘러내려 일정량이 쌓이면 내부의 플로트가 떠올라 밸브를 교체하고 외부로부터 공급하는 증기나 공기의 압력에 의해 강제적으로 드레인을 배출하는 장치입니다. .
또한 스팀 트랩 기능이 있는 펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)를 설치하면 차압(ㅿP)이 확보되어 있을 때는 스팀 트랩 으로서의 작동, 차압(ㅿP)이 없을 때에는 펌프로 작동하여 에어 히터(또는 AHU) 등의 열교환기 내부에 드레인을 체류시키지 않고 운전할 수 있습니다.
펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)의 설치는 증기 사용 장치마다 설치해야 합니다. 그러나, 공조기가 여러대 있는 현장도 많아, 이러한 경우에는, 진공 펌프를 사용함으로써 여러 공조기로부터의 드레인을 동시에 배수할 수 있습니다. 스팀 트랩의 출구측 라인을 대기압 이하로 진공으로 끌어내어, 강제적으로 스팀 트랩 입구부와 출구부에 차압(ㅿP)을 만들어, 공조기 내의 드레인 체류를 방지할 수 있습니다.
극소 차압에서의 응축수 배출 ～Power Trap,오그그덴펌프 폐지에 따른 Running Cost Down 예 ;
밸브체를 갖지않는 고정 오리피스식 트랩인 「O-TRAP（오・트랩)」 은 환경에 맟추어 설계합니다.
그래서 차압이 거의 없는 장소（0.05MPa）에서도 10톤 이상의 응축수를 부드럽게 배출합니다.
응축수를 강제 배출하기 위한 기기 (파워트랩, 오그덴펌프) 나 배관을 폐지함으로써、가동에 필요로 하는 에너지・보전 비용・배관비용 을 절감합니다.
스팀트랩 개폐에 의해 자켓 내부에 압력변동이 발생하여, 제품에 균일하게 온도가 전달되지 않습니다. 또한 스팀 트랩은 스톨 현상※을 발생시키기 때문에 드레인이 자켓 내에 체류하며, 가마솥의 상층부의 제품이 타서 눌러 붙음이 발생할 수 있습니다. 고정오리피스식 트랩 "O-TRAP"은 소비증기=드레인을 규정 압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장, 쟈켓에서 안정적으로 응축수를 배출합니다. 이를 통해, 자켓 내의 온도를 균일하게 유지할 수 있기 때문에 제품의 품질을 안정시킬 수 있습니다. ↓
저압 증기로 운전하고 있는 플레이트식 열교환기에서는 스팀 트랩 밸브 개방하지 않고 드레인이 플레이트내에 체류하면서(스톨현상※), 온도는 상승하지 않고(응축수 온도도 매우 낮음), 일부에 큰 열 응력이 가해져, 플레이트 패킹이 깨지는 등의 문제를 야기하는 경우가 있습니다. 고정오리피스식 트랩인 “O-TRAP“은 소비증기=드레인을 규정 압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장 함으로써 저압증기에서도 안정적으로 응축수를 배출합니다. 이로 인해, 드레인의 체류는 최소화 되고, 패킹의 트러블이 감소합니다. ↓
열풍 건조기에서는 기존기계식 트랩은 스팀 트랩의 전후 차압이 작동에 필요한 차압에 미달하여, 드레인이 체류할 수가 있습니다. 스톨현상※
이 경우, 드레인이 열 교환기 내에 체류하여 공기의 온도가 충분히 상승하지 않을 수 있습니다.
작동 밸브가 없는 응축수 배출 장치, “O-TRAP”은 소비 증기=드레인을 규정 압력으로 배출하도록 배출 구멍이 설계되어 있어, 언제나 안정적으로 드레인을 배출하기 때문에, 얻어지는 공기 온도가 안정합니다. ↓
작동 밸브 식 트랩에서 응축수가 간헐적으로 배출되면, 응축수 회수 배관의 압력이 상승 하강 반복하여, 열교환 량이 적은 곳이나 차압이 적은 트랩의 드레인 배출을 방해할 수 있습니다. 드레인 배출이 불충분 하게 되면 실린더 드라이어의 표면 온도에 불균일이 발생하므로 제품의 품질 저하로 이어집니다. 고정오리피스식 트랩 "O-TRAP"은 드레인을 연속 배출하기 때문에 응축수 회수관의 압력을 변화시키지 않습니다.
이를 통해, 실리더 드라이어 표면 온도를 일정하게 유지할 수 있어서 제품 품질을 향상시킬 수 있습니다. ↓
4 결론
바르게 증기를 사용하면 높은 생산성·품질의 향상, 그리고 에너지 절약에도 연결된다는 것입니다.
키워드: 증기의질, 증기건도, 증기스톨현상, 증기워터해머, 증기드레인회수
Key Word : steam quality , steam dryness , stall phenomenon , water hammer , condensate recovery
O-TRAP 상담 문의 ;
O-TRAP 관련 홈페이지 : http://k.o-trap.cn
O-TRAP 관련 E-mail 문의처 : tjchung@naver.com
O-TRAP 관련 Tel 문의처 : 070-7747-8290
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