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스팀 트랩 선정
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응축수 배출 용량 파악
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워밍업시의 응축수 발생량
기동시는 배관이나 장치가 저온 상태로, 증기 열은 주로 장치 등을 데우는데 소비됩니다. 기동시에 배관과 장치를 데우는데 발생되는 응축수 양이 스팀 트랩의 응축수 배출력이나 바이패스 밸브 필요 여부를 결정하는 중요힌 요인이 됩니다.-
증기 배관
통상 운전(열평형 상태)에 도달할 때까지 배관이나 보온재를 데우는데 소비되는 증기 열에 상당하는 응축수이 발생합니다.
이 응축수 양은 근사적으로 다음과 같이 구할 수 있습니다.
G
：
응축수 발생량(kg/m)
⊿T
：
난기운전에 의한 온도 상승(℃)
Ws
：
관재 길이당 질량(kg/m)
Wi
：
보온재 단위 길이당 질량 (kg/m)
Cps
：
관재 비열(kJ/kg・℃)
Cpi
：
보온재 비열 (kJ/kg・℃)
r
：
증발 잠열 (kJ/kg)
※ 기동전의 배관 온도를 0℃로하고, 표3.1은 일정 압력 포화온도까지 가온할 때 발생하는 응축수량을 나타낸 것입니다(보온재는 고려 대상에서 제외).
표 3.1 증기 배관 응축수 발생량
사이즈
(mm)
질량
(kg/m)
게이지 압력 (MPa)
0.06
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
25
32
40
50
2.57
3.47
4.10
5.44
0.064
0.087
0.103
0.136
0.069
0.093
0.110
0.146
0.078
0.105
0.124
0.165
0.091
0.123
0.145
0.192
0.101
0.136
0.161
0.213
0.109
0.147
0.174
0.230
0.113
0.153
0.181
0.240
0.122
0.165
0.195
0.259
0.128
0.173
0.205
0.272
0.134
0.181
0.214
0.283
65
80
90
100
125
9.12
11.3
13.5
16.0
21.7
0.228
0.283
0.338
0.401
0.544
0.244
0.303
0.362
0.429
0.582
0.276
0.342
0.409
0.485
0.657
0.322
0.399
0.477
0.565
0.767
0.357
0.443
0.529
0.627
0.850
0.386
0.479
0.572
0.678
0.919
0.403
0.499
0.596
0.706
0.958
0.434
0.538
0.643
0.762
1.03
0.456
0.564
0.674
0.799
1.08
0.475
0.589
0.704
0.834
1.13
150
200
250
300
350
400
27.7
42.1
59.2
78.3
94.3
123
0.694
1.05
1.48
1.96
2.36
3.08
0.742
1.13
1.59
2.10
2.53
3.30
0.839
1.28
1.79
2.37
2.86
3.73
0.978
1.49
2.09
2.77
3.33
4.34
1.09
1.65
2.32
3.07
3.69
4.82
1.17
1.78
2.51
3.32
3.99
5.21
1.22
1.86
2.61
3.46
4.16
5.43
1.32
2.01
2.82
3.73
4.49
5.86
1.38
2.10
2.96
3.91
4.71
6.14
1.44
2.19
3.09
4.08
4.91
6.41
포화증기 온도(℃)
증발잠열(kJ/kg)
113.6
2,220
120.4
2,201
133.7
2,163
151.9
2,107
165.0
2,064
175.4
2,029
184.1
1,998
191.7
1,971
198.3
1,945
204.4
1,921
-
배관(Sch40) 1m를 0℃에서 포화증기 온도까지 상승시키는데 필요한 증기량을 kg으로 표시합니다.
강철 비열을 0.49 kJ/kg・℃로 합니다. -
-
-
장치
장치의 경우, 장치와 장치 내에 체류하는 피가열물 혹은, 반응물이 가온됩니다.
여기에 필요한 총열량을 베이스로, 다음식을 이용하여 응축수 발생량을 구할 수 있습니다.
G' ： 응축수 발생량 (kg)
⊿T ： 난기운전에 의한 온도 상승 (℃)
Ws' ： 장치를 구성하는 철재 총질량 (kg)
Wi' ： 장치를 구성하는 철재 이외 재료의 총질량(kg)
Wl ： 피가열물 총질량 (kg)
Cps ： 강철재 비열(kJ/kg・℃)
Cpi ： 강철재 이외 재료의 비열 (kJ/kg・℃)
Cpl ： 피가열물 등의 비열 (kJ/kg・℃)
r ：증발잠열 (kJ/kg) -
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스팀 트레이스관
스팀트레이스라는 것은 오일 등의 운송관을 따라 증기 배관을 설치, 오일 등이 응고하거나, 점도가 지나치게 커지지 않도록 적절한 온도를 유지하기 위한 것입니다. 이 스팀 트레이스 배관의 경우는 트레이스관 가온만이 아니라 오일 등의 내용물(피가열물)과 그 운송관 및, 단열 보온재 가온을 고려해야할 경우가 있습니다. 다음 식은 모든 것을 가온 대상으로 했을 경우 응축수 발생량을 구하기 위한 식입니다.
G ： 응축수 발생량 (kg/m)
T1：트레이스관의 온도 상승(℃) (트레이스 증기 포화온도까지)
Ws1 ：트레이스관 단위 길이당(kg/m)
Ws2 ： 주배관 단위 길이당 질량(kg/m)
W1' ： 주배관 내용물의 단위 길이당 질량 (kg/m)
Cps1： 트레이스관 비열 (kJ/kg・℃)
Cps2： 주배관 비열(kJ/kg・℃)
Cp1'：주배관 내용물 비열 (kJ/kg・℃)
⊿T2： ：주배관 및 단열, 보온재 온도 상승（℃）（주배관 내용물의 운전 온도까지）
r ： 증발잠열 (kJ/kg)이상, 3가지 경우에 대한 응축수양 산출 방법에 대해 설명했는데, 스팀 트랩 응축수 배출 능력 결정에는 단위 시간당 응축수량(kg/h) 견적이 필요합니다. 다음의 [워밍업 시간]도 참조하면서 적절한 워밍업 시간을 정해서 단위 시간당 응축수 양을 결정합니다.
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워밍업 시간
장치를 구성하는 금속 부재 두께가 클 경우는 가열을 서두르면 그열에 의한 부담(열응력)도 커지고 내부 결함이나 파손을 초래할 우려가 있습니다. 이 때문에 비교적 고압에서 사용될 경우는, 그러한 두께도 커지기 때문에 다소 정도 시간을 들여서(예를 들면 수시간) 실시하는 것이 일반적입니다.
반면, 저압 사용에서 그러한 부재 두께도 작을 경우는 이와 같은 제약도 경감되어, 신속한 워밍업이 실현됩니다.이처럼 워밍업 시간은 장치나 운전 상황에 따라 다지만, 정지 횟수, 따라서 워밍업 빈도에 따라 대략 다음과 같습니다.
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● 뱃치(Batch) 운전 : 약 15 분
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● 정지 회수수
・1회/일 : 1시간 이내
・1회/주 : 1~2시간
・1회/년 : 수시간
단, 뱃치 운전 등, 워밍업 시간이 단시간이 될 경우라도, 응축수이 배관이나 장치 내에 비교적 대용량으로 잔류할 경우, 증기를 한꺼번에 보내면 워터 햄머 발생 우려가 있기 때문에 증기량을 서서히 늘려가면서(예를 들면, 1시간 정도 들여서) 천천히 실시하는 것이 안전합니다.
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통상 운전시 응축수 발생량
여기서는 증기 운송관이나 기종, 혹은 장치에 대해서 통상 운전시에 있어서 응축수 발생량 연산식을 소개합니다.-
증기 운송관
배관 재료및 보온재에서 외기로 발산하는 열량은 그러한 재질, 두께 및 외기 조건에 따라 달라집니다. 방열에 따른 배관내에 발생하는 응축수량은 수식을 통해 구할 수 있습니다.
G
：
응축수발생량 (kg/h)
d1
：
외온재 외경 (m)
d2
：
외온재 내경 (m)
λ
：
보온재 열전달률 (kJ/m・h・℃)
α
：
표면 열전달률 (kJ/㎡・h・℃)
ts
：
증기온도 (℃)
ta
：
외기온도 (℃)
Lb
：
주관길이 (m)
r
：
증기잠열 (kJ/kg)
-
장치
-
건조기(에어히터)
일반적으로 열풍 건조기로서 이용되며, 각공장에 있어서 가장 많이 사용됩니다
G
V
：
：
응축수 발생량（kg/h）
공기 유량（㎥/min）
Cp
：
공기 정압 비열（kJ/kg・℃） Cp=1
γ
：
공기 비중량（kg/㎥）γ=1.226
⊿t
：
상승온도 차이（℃）
r
：
증발잠열（kJ/kg）
건조기에서는 상기 계산 조건을 파악하기에는 어려운 부분이 많기 때문에 다음의 방법으로 구한 값을
이용하는 것이 일반적입니다.
그림 3.1 에어히터
-
열교환기
열교환기라는 것은 보일러, 증발관과 같이 증기가 가지는 열 에너지를 코일 등의 전열면을 매개로해서
저온 유체에 전달하는 용기 입니다. 응축수 발생량 계산은 온도차의 계산처리가 복잡하기 때문에 일반적으로 간략식이 이용됩니다.
G
M
：
：
응축수 발생량（kg/h）
피가열물체 유량（ℓ/min）
⊿t
：
상승 온도차 （kJ/kg・℃）
C
：
피가열물체 비열 （kJ/kg・℃）
Sg
：
피가열 물체 비중（kg/ℓ）
r
：
증발 잠열（kJ/kg）
그림 3.2 쉘 & 튜브 열교환기
-
산업용 재킷 냄비
특히 식품 공장에서 많이 사용되는 장치로 고정식과 회전식으로 나눌 수 있습니다.
G
M
：
：
응축수 발생량（kg/h）
피가열체 유량 (ℓ)
⊿t
：
온도 상승 (℃)
C
：
피가열 물체 비열（kJ/kg・℃）
Sg
：
피가열 물체 비중（kg/ℓ）
T
r
：
：
소요 시간(h)
증발잠열（kJ/kg）
-
-
그림 3.3 고정식 재킷 냄비
-
프레스
고무, 플라스틱, 합판, 클리닝 산업 등에 있어서 스팀 프레스가 널리 사용되고 있습니다.
G
：
응축수 발생량（kg/h）
A
：
제품과 접촉 면적（㎡)
R
：
응축 계수（kg/m2・h）
그림3.4 가류 혼합 프레스 예
-
오토클레이브(고압증기 멸균기
오토 클레이브는 가압하면서 증기에 의한 직접 멸균, 정제, 건조를 하는 장치로 의료, 식품 등에 사용되는 압력 용기입니다.
G
W
：
：
응축수 발생량（kg/h）
제품 중량（kg）
C
：
제품 비열（kJ/kg・℃）
⊿t
：
제품 온도 상승（℃）
r
：
증발 잠열（kJ/kg）
T
：
소요 시간（h）
그림 3.5 직접 분무식 오토 클레이브
-
실린더 드라이기
증기가 가득한 실리더의 외면에 제품을 접촉시키고 건조시키는 장치로, 일반적으로 제지, 포장용 박스,
리렌 공장 등에서 많이 사용됩니다.
일부 장치를 제외하면 응축수 배출에는 사이펀관이 많이 이용되고 있습니다.
G
：
응축수 발생량（kg/h）
d
：
실린더 직경（m）
L
：
실리더 폭（m）
R
：
응축수 계수（kg/m2・h）
그림 3.6 실린더 드라이어
-
-
스팀 트레이스관 응축수 발생량
스팀 트레이스에 있어서 증기 소비량, 즉, 응축수 발생량은 배관 등에서 방열량에 따라 정해집니다.
미야와키는 구체적인 계산방법 등에 대해서, 고객과 공동연구 실적에 기초하여 어드바이스를 실시합니다. -
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스팀트랩 응축수 배출 능력
-
-
워밍업시에 발생하는 응축수 양과 통상 운전시에 발생하는 응축수양에서 최대 응축수양 견적을 계산해서
거기에 안전율(대략2배)을 곱해서 스팀 트랩 배출 능력을 정하는 것이 기본입니다. 그러나 일반적으로 통상 운전시보다 워밍업시의 발생량이 많으며, 특히 대규모 시스템에서는 그 차이가 명확합니다.
이 경우에 워밍업시의 응축수양에 맞추어 스팀 트랩 응축수 배출능력을 정하면 통상 운전에서는 능력
과다가 됩니다. 여기에 대해서는 워밍업 시간도 고려해야 하지만, 스팀 트랩만으로 워밍업 시간이 길어질 것 같은 시스템에는 워밍업 전용 바이패스 밸브를 설치해서, 스팀 트랩은 정상시 응축수에 맞추어 선정
하는 것이 현명하다고 할 수 있습니다.
워밍업시는 또 기동 초기 단계에서 압력이 상당히 낮아서 스팀 트랩 배출 능력이 작아지기 때문에 이점도 고려해야할 필요가 있습니다.