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제1장 : 스팀의 발생 (스팀의 품질)4. 스팀의 품질

4. 스팀의 품질

 

여기서 잠깐만

스팀이 사용처에 공급될 때 다음 조건을 만족해야 한다.

가) 정확한 온도와 압력으로 공급해야 한다.

나) 공기와 비응축성 가스가 없어야 한다.

다) 깨끗해야 한다.

라) 건조해야 한다.

 

4.1 정확한 온도와 압력

스팀은 사용처에서 요구하는 압력으로 도달해야 한다. 그렇지 않으면 성능에 영향을 주게 된다. 정확한 온도와 압력은 정확한 배관 선정을 통해서 얻어질 수 있다.

 

4.2 공기와 비응축성 가스

스팀 공간 내에 공기가 존재하면 문제가 발생하는데 그 이유는 압력계에서 유체의 온도를 유추할 수 없으며 공기는 열 흐름의 방해 막으로서 역할을 하기 때문이다. 스팀 속에 공기 또는 비응축성 가스가 존재하게 되면 압력계에서 보여주는 압력은 잘못된 것이 된다. 이때의 스팀 온도는 포화 증기표에 있는 포화 온도와 일치하지 않게된다. 스팀이 공기와 혼합되어 있는 상태에서의 열량은 순수한 증기의 열 함량에 비해 낮다. 이것은 온도가 더 낮다는 것을 의미하며 이 효과는 달톤의 분압 법칙을 따른다.

 

여기서 잠깐만

달톤의 분압 법칙

달톤의 분압 법칙은 ‘스팀과 공기의 혼합물에서 각각의 기체가 독립적으로 부피를 차지하여 전체부피를 구성하고 있다면, 전압은 각각의 기체가 나타내는 분압의 합과 같다’는 것이다.

스팀/공기 혼합물의 전압이 1 bar g (= 2bar abs)이고, 혼합물의 3/4은 스팀이고 1/4는 공기라면 : 스팀의 분압 = 3/4 x 2bar abs = 1.5bar abs 이고 공기의 분압 = 1/4 x 2bar abs = 0.5bar abs 가 된다.

포화 증기표에서, 1.5 bar abs (0.5 barg)에서 포화증기의 온도는 약 111.6℃이다. 1.0 barg를 나타내는 스팀의 온도는 120℃이다. 실제 압력계 대신 온도계를 설치하고 온도를 측정하면 111.6℃가 나타난다. 이 이야기는 스팀의 온도를 측정하면 역으로 계산하여 스팀 중에 공기 함유량을 알 수 있다.

 

4.3 공기와 비응축성 가스의 원천

공기는 초기 가동 시 스팀 공급 배관 및 장치 내에 존재한다. 심지어 시스템이 운전된 후 마지막에 순수한 증기로만 가득 차 있었다고 하여도, 가동이 중단되면 스팀은 응축하여 그 결과 발생한 진공에 의해 공기가 유입된다. 또한 공기는 보일러 급수 속에 녹아 있는 상태로 시스템에 유입될 수 있다. 80℃에서 물은 전체 부피의 0.6% 만큼의 공기를 함유 할 수 있다.

공기는 추측하는 것 이상으로 스팀 시스템에 더욱 널리 분포되어 있다. 공기의 존재를 무시하거나 방치하면, 모르는 사이에 생산성을 떨어뜨리고 부식을 일으키는 원인이 된다. 스팀 시스템에서 공기를 완전 제거하기 위해 자동 에어 벤트를 장착하는 작은 투자는 항상 가치가 있을 것이다.

 

4.4 청결 (Clearliness)

스팀 시스템에서 이물질의 출처는 다음과 같다.

가) 부적절한 보일러 운전으로 인한 보일러에서 고형물의 캐리오버

나) 배관 스케일

다) 용접 찌꺼기

라) 잘못 적용 되거나 과잉으로 사용된 연결용 가스켓류 이러한 모든 원하지 않는 물질은 증기시스템의 효율적인 운전에 좋지 못하다.

 

그 이유는 다음과 같다.

가) 보일러에서 과잉으로 공급된 수 처리 약품이 열전달표면에 쌓여 열전달 속도를

저하시킨다.

나) 배관 스케일 및 기타 이물질은 컨트롤 밸브와 스팀 트랩의 운전을 방해할 수 있다. 그와 같은 배관 이물질에 대해 기본적인 보호방법은 배관에 스트레나(그림 1)를 설치하는 것이다.

라) 배관에 스트레나를 사용하여도 캐리오버 된 수처리 약품을 막을 수는 없다. 대신 기수 분리기를 사용하여 물방울 내에 녹아있는 물질을 물과 함께 배출함으로써 캐리오버 된 물질을 감소시킬 수 있다.

 

4.5 기수 분리기(Separator)

보온이 잘 되어있다고 하여도, 스팀 배관에서 항상 약간의 응축은 발생하고 있다. 만약 스팀 배관의 보온이 잘못 되어 있으면, 수송 중에 열손실은 더욱 많아지고 빠른 응축 속도로 인해 배관을 따라 진행 할수록 증기의 질은 더 떨어진다.

여기서, 보일러에 의한 것이 아닌 수송 중에 열손실에 의해 생성된 습증기는 보일러 연료에 의해 공급된 증발 잠열이 없어져 대체된 것이기 때문에, 비용을 상승시킨다. 습증기가 보일러에서 발생하든 배관에서의 방열 손실에 의해 발생하든 관계없이 습증기는 다음과 같은 문제점을 야기한다.

 

가) 배관, 피팅 그리고 밸브 내부부품의 침식

나) 워터 해머와 그와 관련된 문제의 가능성 증가

다) 열전달 표면에 열전달을 방해하는 수막을 형성하여, 공정에서 열전달 속도를 현격하게 감소시킨다. 이로 인해, 공정의 가동시간을 증가시키고 요구되는 공정온도에 이르지 못하게 할 수도 있다.

 

보일러에서 생산된 습증기는 거의 대부분 관수 내 용존 고형물을 함유하고 있다. 이것은 배관, 밸브 트림 및 열전달 면에 침적되어 정비를 증가시키고 열전달에 방해가 된다.

 

4.6 열전달의 방해물

공기, 수분 및 스케일이 가열표면에서 어떻게 축적되는지 보여주는 다음 그림 2를 고려해 보자. 공정에서 스팀 시스템 운전의 생산성과 비용은 모두 필수적으로 열이 스팀에서 공정 물질에 전달되는 방법과 관련되어 있다.

전열면의 피 가열체(제품)측에는, 정체된 제품과 제품 위에 케이크화 된 스케일막이 있다. 정기적인 청소를 해야 좋은 열전달을 유지할 수 있다. 실제적으로, 기계적인 교반을 하면 정체된 제품을 표면에서 멀리 움직이게 하여 열 저항을 감소시킬 수 있다. 이렇게 하면 금속 쪽으로 온도가 낮은 제품을 보내기 때문에, 높은 온도 차이를 유지할 수 있으며 전체적으로 온도의 혼합효과를 높일 수 있다.

금속 벽 스팀 측에는, 배관에서 발생된 녹과 이물질 그리고 보일러에서 캐리오버 된물질로 구성된 스케일 층이 있을 수 있다. 이 오염물은 증기 공급 측에 설치된 스트레나를 정기적으로 청소하면 줄일 수 있다. 스팀과 금속 열전달 면 사이에 있는 스케일 층 외에 두 가지의 막이 더 있다. 하나는 응축수와 습증기에 의해 발생된 수분으로 구성된 수막이다.

그리고 다른 하나는 물 보다 열 흐름에 더 큰 저항성을 지닌 공기막이다. 이 막들은 스팀이 열전달 벽에 이동하여 응축되는 열전달의 결과로 자연적으로 형성된다. 공급된 스팀이 습증기이거나 공기를 함유하고 있다면, 이 막들은 필요 이상으로 두꺼워질 것이다. 공기와 물은 가능한 한 빨리 그리고 완벽하게 스팀 공간에서 제거하거나 줄여야 한다. 그렇지 않으면, 열 전달량이 감소되어 공정의 생산량이 감소될 것이다.

그림 3을 통해, 열전달 표면에서 발생하는 현상을 좀 더 자세히 알아 볼 수 있다. 0.6 mm 두께의 수막(복사용지 2~3장의 두께)은 약 380 mm 두께의 구리 벽과 같은 열전달 저항력을 갖는다.

공기 막의 효과는 더 엄청나다. 가장 효율적인 보온재는 전도성이 없는 섬유로 둘러 쌓인 미세한 공기구멍이다 는 것을 알고 있을 것이다. 공기는 스텐레스강 보다 1,100배의 저항력을 가지고, 구리보다 약 15,000배 이상의 저항력을 갖는다. 이는 오직 0.025mm(25μm, 사람 머리카락의 약1/3 두께) 두께의 공기막이 약 380mm 두께의 구리 벽과 같은 열전달에 저항력을 갖는다는 것을 의미한다.

결론적으로, 공기 막과 수막은 모든 가열 장치의 열전달 면에 존재하며, 최소로 유지되어야 한다. 스팀 공급배관에 설치된 기수분리기는 공기 막과 수막을 최소로 유지시키는 데 커다란 도움을 준다.

 

4.7 전형적인 기수분리기 설치방법

보일러에서 건 포화 스팀을 생산하거나 공정에 건 포화 스팀을 공급하는 한 가지 방법은 아래의 그림 4에 나와 있는 기수 분리기를 스팀 배관에 설치하는 것이다.

흔히 기수 분리기를 컨트롤 밸브 전단에 설치하기도 한다. 기수 분리기를 설치하면 이 지점에서 스팀의 질을 향상시켜, 공정에서 열교환기의 효율을 향상 시킬 뿐만 아니라, 컨트롤 밸브 내에서 발생되는 ‘와이어 드로잉(wiredrawing)’ 현상의 발생을 방지하기 때문에 컨트롤 밸브의 수명을 연장시킨다.

(와이어드로잉은 물방울이 매우 빠른 속도로 컨트롤 밸브의 오리피스를 통과함에 의해 발생되는 밸브 내부 부품의 침식 현상이다.)

 

정리 합니다

포화 스팀(Saturated Steam)의 품질에 방해가 되는 요인은 수분, 공기 및 스케일이다. 스팀을 사용하는 공정의 효율을 높이고, 수명을 늘리기 위해서는 필연적으로 스팀의 품질이 좋아야 한다. 스팀의 품질을 높이기 위해서는 보일러에서 스팀을 만들 때도 양질의 스팀을 만들어 공정에 보내져야 하지만, 수송 및 사용처에서도 스팀의 질을 높이기 위한 조치를 취해야 한다. 이번 장에서는 스팀의 질을 떨어뜨리는 요인의 분석과 스팀의 질을 높이기 위한 대책에 대해 알아보았다.

 

한국에너지기술인협회 이대철교수

dcl5756@naver.com

이대철  dcl5756@naver.com

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