증기의 이용에 관하여

1. 증기의 이용

증기가 공장·빌딩 등에서 에너지원으로서 널리 사용되는 것은 물리적으로도 화학적으로도 뛰어난 성질을 가지고 있기 때문입니다. 이 증기가 가지는 특성을 잘 이해하고, 효과적으로 이용하는 것이 효과적인 에너지절약으로 이어집니다. 조기의 일반적인 특성을 열거하면, 다음과 같습니다.

(1)포화증기는, 그 압력과 온도가 항상 일정한 관계에 있어, 증기 압력을 일정하게 유지함으로써, 온도를 일정하게 설정할 수 있습니다. (그림1 참조).

⑵증기는 큰 증발잠열을 가지며, 그 증발중(응축중)은 온도가 일정하게 유지됩니다.

⑶증기의 증발잠열은 저압 증기로 될수록 크며, 압력의 상승에 따라 감소합니다 (그림2 참조).

⑷증기의 기축전열에서 연전달계수는 매우 커서, 전열 매체로서 특히 우수합니다.

⑸증기는 응축 후 용적 변화율이 커서, 응축된 콘덴세이트의 비용적은 매우 작아져 취급이 용이합니다.

⑹화학적으로 안정적이고 무해한 물질이다.

2. 증기 설정 압력의 적정화

(1) 보일러 증기 압력의 적정화

증기를 간접가열용으로 사용할 경우, 증기의 특성에서 기술한 바와 같이, 증기 압력이 낮을수록 증기가 응축할 때 방출하는 열량(응축잠열)이 크기 때문에 연료의 절약이 됩니다. 따라서, 가열 열원으로서 필요한 온도에 상당하는 압력까지, 보일러의 설정 압력을 낮추는게 필요합니다.

그러나, 기설 보일러의 증기 압력을 낮출 경우에는, 보일러의 최저 운전 압력에 의한 제한, 증기 배관의 압력 손실, 증기 사용 장치의 능력 등을 고려하여, 적정 압력을 설정하는 것이 중요합니다.

보일러 증기압력의 재검토에 의해, 어느 정도의 연료가 절약되는지 한가지 예를 나타내면, 아래 Table 과 같습니다.

Table
증기 압력 (㎏/㎠G)	포화 온도 (℃)	증기 엔탈비(㎉/㎏)	응축수 잠열(㎉/㎏)
7	169.6	660.8	489.5
5	158.1	657.9	498.6

 

증기압력을 7kg/㎠G에서 5kg/㎠G까지 낮출 수 있었다고 하면, 위의 TableI(표) 에서 응축잠열이 약 9 kcal/kg 상승합니다. 지금, 월평균 증기 사용량을 5,400t이라고 하면, 증기 압력을 낮춤으로써 증기 사용량은, 5,400 x (498.5÷498.6) ≒ 5,300t/월 이 됩니다.

연료의 발열량을 10,000kcal/kg, 급수 온도를 20℃, 보일러 효과를 85% 라 하면, 증기 압력을 낮추는 것에 의한 연료 절약량은, 다음과 같습니다.

5,400 x 10³ x (660.8 - 20) - 5,300 x 10³ (657.9 - 20) = 9.347 ㎏/월

         10,000 x 0.85                   10,000 x 0.85

또한, 증기압력을 낮추면 보일러 본체로부터의 방산열량 감소, 블로우에 의한 손실열 감소로 인한 에너지절약상의 메리트도 있습니다.

 

⑵증기의 감압 효과

보일러의 최저 운전압력에 의한 제한이 있는 경우나, 또는 증기사용 설비 측에서 일부 고압증기를 필요로 하는 경우에는, 저압증기 사용설비 직전에, 고압증기를 감압밸브에 의해 저압 증기로하는 경우가 많습니다. 감압밸브에 의한 증기의 감압은, 조리개 단열팽창의 일종이므로, 조리개에 따라 증기의 엔탈피의 변화는 없습니다. 따라서, 고압증기를 감압밸브로 감압하면 건도가 상승하여, 단위중량당의 에너지, 즉, 잠열이 증가하여 유효이용할 수 있는 열량이 증가하여, 결과적으로 증기 사용량을 절감할 수 있습니다.

감압함으로써, 어느 정도 열량이 증가하는지의 한 예를 나타내면 다음과 같습니다.

증기압력 9kg/㎠G, 건도 0.95의 증기를 2㎏/㎠G로 감압하면, 감압전의 포화증기 잠열량은,

481.65 X 0.95 = 475.57 kcal/kg

이며, 습증기의 엔탈비는,

181.25 + 457.57 = 638.82 kcal/kg가 됩니다.

감압 후의 잠열량은,

638.82 - 133.41 = 505.41 kcal/kg 이 됩니다.

따라서, 감압함으로써 열량은,

505.41 - 457.57 = 47.84 kcal/kg 증가합니다.

즉, 감압에 의해 (47.84/457.57) x 100 = 10.5% 만큼 여분으로 열량을 이용할 수 있습니다.

또, 감압 후의 건도(x)는,

638.82 = 133.41 + x X 517.9 x = 0.98이 됩니다.

 

 

3. 증기 수송

보일러에서 증기 소비 설비까지의 증기배관은, 사정이 허락하는 한 최단거리, 최소 관경, 최소 열손실이고 또한 최소 압력 강하가 되는 조건을 만족시켜야 합니다.

(1)배관 계획

소비설비에서의 증기 사용 조건에 관해 다음 사항을 명확히 합니다.

a. 사용 시각과 사용 시간

b, 배치 사용인가, 연속 사용인가

c. 사용 압력과 양 (평균량, 피크 사용량).

다음으로, 배관의 구상도를 그리고, 옥외 배관과 플랜트 배관의 관계를 명확히 합니다.

옥외 배관 계통도의 예를 그림3에 나타냅니다. 예1, 예2 중 어느 것으로 할 것인가는 공장의 넓이, 옥외 배관의 길이, 관경, 증설 시기, 각 플랜트의 가동 방법, 설비비, 열손실을 감안해서 결정하면 됩니다. 동시에 주간, 야간 전용 배관, 고압, 저압계의 분리에 대해서도 검토할 필요가 있습니다.

옥외 배관에서 플랜트 내로 배관을 빼낼 때는, 아래 그림4 에 표시된대로 반드시 메인 밸브를 달아, 증설 시 영향을 적게 하거나, 휴지 시에는 메인 밸브를 닫아 증기 손실을 방지합니다. 압력계, 유량계는 관리상 필수적인 것이며, 반드시 설치합니다. 또, 헤더의 단말은, 장래를 생각해. 맹플랜지로 하는 것도 하나의 방입니다.

 

 

(2) 증기 배관의 보온

증기 수송에 있어서 관으로부터의 열방산에 의해 일부의 증기가 증기사용장치에서의 소비에 기여하지 않고, 응축수(콘덴세이트)로서 배출되어, 큰 에너지 손실이 발생합니다. 따라서, 증기배관에는 적절한 보온을 실시하여, 방열손실의 저감을 도모할 필요가 있습니다.

 

A) 보온재의 종류와 선정

a. 보온재에 요구되는 성질

보습재는 유기질, 무기질 등으로 크게 나뉜다. 유기질, 무기질의 보습재는 재질 자체가 가지는 스포티지 구조에 의하여 공차 내에 공기 거품을 포함하므로, 보습 효과를 발휘합니다.

또한, 보습재의 열전도율은,

① 일반적으로 보온재의 밀도와 함께 증가한다.

② 수분을 흡수하면 증가한다.

③ 온도의 상승과 함께 증가한다.

 

ь. 보온재의 종류

증기 배관에 사용되는 보온재는, 대부분 무기질입니다. 아래의 표1(Table1) 에 무기질 보온재의 종류와 특징을 나타냅니다.

 

 

출처 : 주택건축자재백과

c. 보온재 선택

증기 배관 계통의 보온재로서는, 최근에는 규산칼슘, 펄라이트, 로크울, 석면 등의 보온재가 널리 사용되고 있는데, 그것을 선정할 때의 중요한 특성은, 아래와 같습니다.

① 열전도율이 작아야 함.

② 비중량이 작아야 함.

③ 흡수성이 작아야 한다.

④ 강도가 크고 내구성이 있어야 한다.

⑤ 사용온도에 충분히 견딜 것(안전사용온도 이하로 사용할 것).

⑥ 시공성이 좋을 것.

​

B)보온 시공

뛰어난 보온재를 사용해도 시공이 완전하지 않으면 빗물의 침입에 의해 보온재가 열화(노화) 하는 것 외에 방열에 의한 에너지 손실을 무시할 수 없으므로, 시공에 있어서는 충분한 주의가 필요하다.

​

a. 시공 방법

① 극력 성형품을 사용하다.

② 배관의 열팽창과 보온재의 수축을 고려한다.

​

배관의 열팽창과 보온재의 수축 때문에 보온통 사이에 틈이 생기므로 2(두)층 이상인 경우(소정두께가 75m 이상인 경우는, 되도록 두속으로 나누어 시공함)는 각 층 의 가로세로 눈은 동일한 곳이 되지 않도록, 어긋나게 부착하거나 또는 눈에 석면섬유를 압축해서 채워 넣는다(그 림5).

 

③밸브, 플랜지, 관의 손도 반드시 보온한다.

밸브와 플랜지 부는 보수 점검 때문에, 또한 시공이 복잡하다하여 보온이 안 되어있는 경우가 많은데, 이들도 보온할 필요가 있다. 그림6에 밸브의 보온, 그림7에 플랜지부의 보온, 그림8에 현수의 보온시공을 나타냅니다.

④진동에 대한 고려

진동하는 기계에 부속되는 배관의 보온에는, 내진동성의 보온재를 선정한다.

섬유질 보온재가 진동흡수의 관점에서 적합하다.

⑤내우수성(耐雨水性), 내약품성의 고려

 

보온재를 빗물이나 부식성의 약품으로부터 보호하기 위해서, 보온재는 반드시 철판, Alumi 판, 매스틱재로 외장할 필요가 있습니다. 특히, 보온재가 수분을 흡수하면, 물의 열전도율은 약 0.5kcal/mh℃로 보온재의 약 10배나 커서, 열손실이 증가하므로 주의가 필요합니다. 매스틱재는, 아스팔트나 플라스틱을 주재로 한 액상, 또는 페이스트 형상의 것으로 시공성, 내우수성(耐雨水性), 내약품성의 점에서 우수합니다.

 

b. 보온재의 보수 점검

보온재 시공 장소는, 연월과 함께 열화(노화), 파손을 일으키므로 점검을 실시할 필요가 있습니다.

이 점검은 육안에 의한 외관 점검으로 충분하며, 일상, 공장을 순시하고 있을 때라도, 그 생각이 나면 언제라도 실시할 수 있습니다. 다음에 주의해야 할 점을 열거합니다.

① 외장이 변형되거나, 파손되지 않았는가.

② 외장재가 변색되거나, 도장이 벗겨지지 않았는가.

③ 증기나 연기가 나거나, 또 물방울이 처진 흔적은 없는가.

④ 외장판의 중첩이 어긋나거나, 코킹재 등이 탈락하지 않았는가.

⑤ 매달린 철물, 서포트 철물 등과 보온재 외장부 사이에 틈이 생기지 않았는가.

이상과 같은 점에서 이상이 발견되지 않으면, 단열 성능은 충분히 유지되고 있다고 볼 수 있습니다.

이상이 발견되면, 신속하게 수리가 필요합니다.

 

c. 보온관에서 열 방산

그림9 와 같이 보온 된 관의 열 이동을 표2에 나타내었습니다.

 

표2, 관내 증기로부터의 열전달

No.	장소	열전달 방식
1	증기에서 증기튜브로	일부 증기 열은 대류를 통해 증기 튜브로 전달됩니다.
2	증기튜브 내부	열전도에 의해 튜브 내부에서 튜브 외부로 전달됩니다.
3	증기튜브 절연체에서	증기관 외부 표면에 도달한 열은 유체(물, 공기 등)가 없기 때문에 즉시 절연체(보온재) 내부 표면으로 전달됩니다.
4	절연체(보온재)에서	열전도에 의해 단열재 내부 표면에서 외부로 전달됩니다. 전달되는 열은 절연체의 특성과 두께에 따라 크게 영향을 받습니다.
5	절연체부터 외부 재킷	절연체의 외부 표면에 도달한 열은 외부 재킷의 내부 표면으로 즉시 전달됩니다.
6	외부 자켓에서	열전도를 통해 외부 자켓 안쪽 표면의 열을 바깥쪽 표면으로 전달합니다.
7	외부자켓에서 대기로	대류 및 복사열에 의한 열전달(상승기류 또는 바람을 통한 대류열전달 및 증기관 주위의 벽 또는 물체로의 복사열전달)

 

이들의 열 이동에 의한 열량은, 다음 식으로 표시됩니다.

Q = (1÷R) x (θ₀ ￚ θr)

R = (1÷2π) x [(2÷d₁α)+(1÷λ)In(d₁ ÷ d₀)

 

범례,

R : 열 저항( mh℃/kcal)

θ₀, θr : 증기 온도, 외기 온도(℃)

d₀, d₁ : 보온재 내경(증기관 외경), 보온재 외경(m)

α : 표면의 열전달율(kcal/㎡h℃)

λ : 보온재의 열전도율(kcal/mh℃)

Q : 방산열량(kcal/mh)

 

d. 보온재의 경제적 두께

보온은 에너지 절약의 첫걸음이지만, 보온에 의해 회수되는 에너지의 이득과 보온에 지출되는 비용과의 균형을 고려하여, 경제성의 최적화 판단이 필요합니다.

보온재의 경제적 두께는 보온재 표면으로부터의 방산 열량에 의한 연간 손실(A)과, 보온 시공의 연평균 비용(B)의 합(C)이, 최소가 되는 두께를 구함으로써 얻을 수 있습니다. 이 관계는 그림 10 에 나와 있습니다.

보온재의 경제적 두께 계산식을 나타내면, 다음과 같습니다.  

여기서,

범례 :

d₁ : 보온재 외경 (m)

d₀ : 보온재 내경 (m)

λ : 보온재의 열전도율(kcal/mh℃)

α : 표면의 열전달율(kcal/㎡h℃)

b : 열량 단가 (원/1,000kcal)

a : 보온재 시공 단가 (1,000원/㎥)

h : 년간 사용 시간 (h)

θ₀ : 내부 온도 (℃)

θr : 실내 온도 (℃)

n : 년이율

m : 사용년수 (년)

In : 자연대수

 

e. 증기 배관 보온두께와 방열손실 및 보온 효율

나배관(알몸배관)의 방산열량에 대하여, 보온 시공 후의 방산열량 보온효율을 그림11 ~ 그림16 에 나타냅니다.

 

 

보온효율 = (Q₀ - Q) ÷ Q₀

Q₀ : 라관의 방산열량

Q : 보온 시공 후의 방산열량

 

<그림11 의 사용 예>

증기온도 300℃ 인 80A(3B) 배관에서 100mm 의 보온을 시공한 경우의 방산열량과 보온효율은 얼마일까요?

 

<결과>

300℃ 의 곡선 지점에서, 수평선을 그어 방산열량을 구함(90kcal/mh)

보온 효율은, 300℃ 의 교차점을 더 수직으로 그어서, 300℃ 인 지점 곡선의 교차점을 우측으로 수평선을 그어서 종축 효율 눈금을 읽읍니다 (90%).

 

 

4. 스팀 트랩

아래 사이트를 참고하시면 되겠습니다.

⑴ https://blog.naver.com/tjchung/221278907225

⑵ https://blog.naver.com/tjchung/223026629271

⑶ https://blog.naver.com/tjchung/221170049200

⑷ https://blog.naver.com/tjchung/221355459644

⑸ https://blog.naver.com/tjchung/221169589090

 

 

5. 응축수 회수

아래 사이트를 참고하시면 되겠습니다.

⑴ https://blog.naver.com/tjchung/221394304442

⑵ https://blog.naver.com/tjchung/222977177721

⑶ https://blog.naver.com/tjchung/223287961870

⑷ https://blog.naver.com/tjchung/222973037013

⑸ https://blog.naver.com/tjchung/221053338069

 

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