공조 설비인 증기 열교환기(AHU) 온도관리에서 발생하는 스톨 현상의 발생에 대해서

공장 공조설비인 증기열교환기(AHU) 온도관리에서 스톨 현상 문제발생에 대해서

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공장의 공조설비에서 “증기식 열교환기”를 사용하여, 공장 내 온도관리를 하는 유니트 히터는 물론 생산 설비에서 증기의 비례식 조정밸브(Proportional Control Valve)를 사용할 것입니다. 즉,

 

열교환기(공조설비, 반응기, 건조기 등)에 공급되는 스팀배관에 컨트롤 밸브가 설치 되어 있지요. 그럼, 그 컨트롤 밸브를 지나서 열교환기(공조설비, 반응기, 건조기 등)로 공급되는 실제 증기 압력이 얼마나 되는지 확인해 보시면 알 수 있습니다. 확인된 이 증기압력과 스팀트랩 후단 배압 압력차(ΔP)로 응축수 배출가능한 용량의 트랩이 선정되었는지 확인해 보아야 합니다. 이 압력차(ΔP) 존재 유무에 따라서, 응축수 배출가능여부가 결정되는 것입니다.

 

최근에는, 온도제어를 엄격하게 요구되고 있습니다.

이에 따라서 “스톨현상”과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.

그래서, 그 대표적인 예가 "비례 제어하고 있는 공조용 열교환기가 정기적으로 파손된다”라는 사례입니다. 또한 응축수 배출이 원활하지 않고 온도 상승이 잘 안된다는 현상입니다.

 

우선, 이 현상을 이해하는 데 확실히 해 두어야 할 포인트가 2 개 있습니다.

 

1. 증기의 급속 냉각에 의한 해머(망치) 발생 원리

2. 공급 증기압력과 스팀트랩의 응축수 배출 능력의 관계

 

첫 번째 포인트에 관하여 [해머 발생]은 널리 알려져 있으므로 설명을 생략하겠습니다.

두 번째 포인트가 되는 공급 증기압력 스팀트랩 배출량의 관계를 간단하게 설명하겠습니다.

 

스팀트랩은 압력 차이(ΔP)가 있어서, 초기에 잘 흐르게 설계되어 있습니다.

따라서, 배출능력은 동일한 트랩이라도 입구와 출구의 압력차이(ΔP)가 클수록 높아지는 것입니다.

반대로, 압력 차이(ΔP)가 0 또는 마이너스가 되면 아무리 배출 능력이 높은 트랩도 배출 불량이 됩니다. (응축수가 정체되는 경우입니다)

증기에서의 스톨 현상이란, 스팀트랩 전후의 압력차가 없어져 스팀 트랩에서 드레인이 배출되지 않고, 트랩 이전의 배관이나, 열교환기 내에 드레인이 체류해 버리는 현상입니다.

즉, 스톨이란 열교환기로부터의 응축수 흐름의 감소 또는 정지를 나타냅니다.

 

포인트가 되는 주제인 「스톨 현상」이란 무엇인가를 설명하겠습니다.

 

공장 공조의 일부를 가온하기 위해서 증기식 열교환기를 덕트 사이에 넣어 공조하고 있다고 합시다.

열교환기에 들어가는 앞에서 비례식인 증기 제어 밸브(CV)가 있고, 증기 출구에는 온도조절 트랩이 설치되어있습니다.

처음에는 공장 작업실이 차가워 져 있기 때문에 제어 밸브(CV)는 전개 상태(100% Open)입니다. 트랩도 순조롭게 응축수를 배출을 합니다.

 

점차 실내 온도도 상승하여 설정 온도에 접근하여 감에 따라서, 비례 제어 밸브(CV)도 조금씩 닫혀갑니다. 이에 따라 열교환기내의 압력도 내려 가고, 결국 영 (0)이됩니다. 따라서 증기 응축수도 서서히 나오기 어렵게 되어, 증기 응축수가 열교환기내에 쌓여 배출 할 수 없는 상태가 됩니다. 이것이 「스톨 현상」입니다.

 

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이런 상태로 되어 버리면 열교환기의 관로가 식혀져서(차가워져) 또한 열교환기 자신도 본래의 능력을 발휘할 수 없게 되어 버립니다.

그렇게 되면, 실내 온도도 내려 가기 때문에 다시 가열하려고 비례 제어 밸브(CV)가 열리게 되어 열교환기 속으로 증기 송기가 시작됩니다.

이때. 차가운 응축수 속으로 증기가 들어가는 형태가 되어, 워터 해머가 발생합니다.

또한, 열교환기 내에 항상 응축수가 체류하고 있는 형태가 되기 때문에 부식의 원인으로 이어집니다. 이러한 반복이 열교환기의 수명을 현저하게 짧아지게 하는 것입니다.

즉, 스톨현상으로 인해, 응축수 체류가 되어 그로 인해, 단연히 온도가 오르지 않음은 물론, 부식이 발생하여 동파이프 핀홀, 크랙이 발생 하여, 특히 동파이프 끝부분에서 많이 발생하여 히터의 수명이 짧아진다는 것입니다.

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스톨 현상의 폐해를 정리해 보겠습니다.

 

1. 열교환 기 내에 응축수의 체류에 의한 부식 노화

2. 열교환 기 내의 워터해머(수격) 현상에 의한 손상

3. 열교환 기에서 응축수 체류에 의한 열교환 능력 저하

4. 결국, 열교환 기에서의 응축수 체류로 열이 오르지 않는다

 

스톨 현상을 방지하는 방법으로서는 일반적 3 가지를 들 수 있습니다.

1. 파워 트랩 및 진공 펌프로 강제로 응축수를 배출한다.

→이것은 워터해머(수격) 현상 및 부식 방지입니다.

투자비용 고가, 매년 유지 보수 비용 발생합니다.

 

2. 열교환 기 및 트랩의 낙차를 300mm 이상 취한다.

→ 이것은 낙차를 마련함으로써 차압이되어 응축수가 빠지기 쉬워지기 때문입니다.

 

3. 스팀 트랩을 고정오리피스식 스팀트랩(O-TRAP)으로 교체 설치한다.

→ 이것은 스팀트랩 중에서도 가장 차압이 적어도 작동하기 때문입니다.

증기 차압(ΔP)이 존재하는 한, 응축수를 지속적으로 배출 시키기에 가장 적합한 트랩입니다

 

“스톨 현상"이라는 것은 그 밖에도 설계 초기에 문제없이 가동이 되었더라도, 가동 상황 변화에 따라 발생할 수 있으며, 트랩의 2차 측에 배압이 걸리는 경우 등 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다.

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※ 일반적으로 현장에서는, 스팀트랩 전단의 열사용설비(열교환기)가 조절식 증기밸브(자동제어밸브)가 있으면 트랩전단 증기압력이 낮아지고, 스팀트랩 후단 입상관 높이가 높을 경우, 응축수 배출 정지 조건에 해당 되면, 응축수가 원활히 배출 되지 않을 수 있습니다. 플로트 트랩이라면, 차압조건 맞게 사용하시면 됩니다.

 

※ 스팀트랩 즉, 볼플로트 또는 버켓 타입의 트랩 등 모든 트랩은 트랩 전단의 스팀 압력으로 응축수가 트랩에서 걸러져 볼 또는 버켓이 부상하게 될 때, 스팀 압력의 힘으로 응축수가 배출되게 되는 원리입니다.

스팀 트랩 설치는 열교환기 또는 열교환 설비의 끝단 보다 아래로 설치 하는게 원칙입니다.

이유는, 스팀은 증기이고, 증기가 열매개체와 열교환 후 생기는 응축수는 물이기 때문에, 아래로 내려가는 원리를 이용하기 때문이며, 이렇게 설치되어야 응축수 배출이 원활하게 됩니다.

또한, 1k의 압력은 10m 를 올릴 수 있으므로, 스팀트랩보다 응축수 탱크가 위에 있다고 해도, 스팀 압력 1K 이상이면 충분히 응축수 회수가 됩니다. 이런 내용이 참고가 되었으면 합니다.

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O-TRAP 관련 상담 문의처;

Tel : 070-7747-8290

E-mail: tjchung@naver.com

E-mail: tjchung@hanmail.net

URL: http://k.o-trap.cn