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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.08.08 10:56
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10. 열교환기

10.4 열교환기 전열 면적 계산

열교환기의 크기를 결정하기 위해서 반듯이 전열 면적을 계산하여야 한다.

가) 열교환기 전열 면적 계산 공식
Q = U x A x △t
에서 Q : 시간 당 열교환에 필요한 열량c kal/hr
U : 총괄 열전달 계수 c a lk/㎡h℃
△t : 가열체와 피 가열체 간의 열전달 면에서 평균 온도 차 ℃

나) 열교환기 전열 면적 계산
1) Air Heater(공기 가열기)용 열교환기 전열 면적 계산 : Shell & Tube Type

1) Air Heater(공기 가열기)용 열교환기 전열 면적 계산 : Plate Type

다) Air Heater(공기 가열기)용 열교환기(Shell & Tube Type) 설계

1) 열교환기 전열 면적 : 13.6㎡
2) 열교환기 Tube Size : 25mm 강관 (Sch.40, 길이 1m 당 단면적은 0.0854㎡/m )
3) 25mm 열교환기 강관 Tube의 길이는
13.6㎡ ÷ 0.0854㎡/m = 159.25m 가 필요하다.
4) Shell & Tube Type의 열교환기의 길이가 5m라고 하면
159.25m ÷ 5m/개당 = 31.85개
즉, 5m Tube가 31.85개가 필요하며 안전율20%를 계산하면 38.22개로
25mm Sch.40 Tube 39 ~ 40개가 필요하다.

 

10.5 열교환기 선정

열교환기 타입을 선정한다.
가) 열교환기 타입 비교

나) 열교환기 선정할 때 기본 요건

1) 열교환기에 필요 열량 : 열교환기 사이즈 선정
2) 가열체, 피 가열체의 유량 및 온도 : 전열 면적 계산
3) 유체의 특성(밀도, 점도, 비열, 열전도도 등 :) 열교환기 재질 선정
4) 열교환기 내부에서의 압력 손실

 

10.6 온수 탱크 가열 방식 : 스팀 직접 분사 가열 방식

스팀 직접 분사 방식은 스팀 기포를 저온 상태의 액체에 부사시켜줌으로써 스팀기포가 응축하여 주위 액체에 열을 전달하는 방식이다.

이 경우 열은 스팀과 액체간의 직접 접촉에 의해 전달되므로, 이 방식은 희석 및 액체 질량의 증가가 허락되는 경우에 한하여 사용되어야 한다. 따라서 가열되는 액체는 물인 경우가 일반적이다. 이러한 스팀 직접 분사 방식은 화학 반응을 동반하는 용해액의 가열에는 거의 사용되지 않는데, 그 이유는 용해액의 희석이 반응효과를 감소 시킬 뿐 아니라 생산성을 저하시키기 때문이다.

가) 직접 분사 방식이 열전달량에 미치는 영향

1) 스팀 기포의 크기
스팀 기포의 응축 여부는 기포 표면 전체에 걸친 열전달량에 좌우된다. 스팀 기포가 완전히 응
축되려면 부피 대비 표면적의 비율이 가능한 높아야 한다. 기포의 크기가 작을수록 단위 부피당표면적이 커지게 되므로, 가능한 작은 기포를 만드는 것이 바람직하다. 차압이 작은 범위내에서는 분사관의 작은 구멍을 통해 부사될수록 기포의 크기가 작아지는 효과가 있지만 차압이 커지게 되면 분사관의 구멍을 통해 분사되는 스팀의 속도가 빨라져 기포가 더 많이 발생되고, 더 높은 에너지를 보유한 스팀이 오리피스를 통과했을 때 기포의 크기가 더 커지는 현상이 발생되므로 분사관 내의 스팀 압력이 낮을수록 바람직하다.

2) 분사점에 대한 액체의 수두압
액체의 수두는 배압을 생성하여 차압이 스팀압보다 작도록 유지하게 된다. 만일 액체 수두가 높고 분사관의 스팀압이 낮은 경우에는 압력의 변화량은 극히 미미하여 생성되는 기포의 크기는 최소한으로 유지될 수 밖에 없게 된다. 분사점에 대한 액체의 수두압이 높을수록 스팀 기포는 표면에 도달하기 전에 응축될 수 있는 기회를 최대로 갖게 된다.

3) 기포의 속도
분사점에서의 기포 속도 또한 스팀압과 액체 수두간의 차압에 좌우된다. 따라서 이러한 차압을 가능한 작게 유지함으로써 기포의 속도를 느리게 유지하여 기포가 표면에 도달하기 전에 응축될 수 있다.

4) 액체의 온도
스팀의 응축량은 스팀과 가열되는 액체 간의 온도차와 직접적으로 비례한다. 모든 열전달 공정에서와 마찬가지로 열교환량은 온도차에 직접적인 비례관계를 가진다.

 

나) 분사관(Sparge Pipes)
분사관(Sparge Pipes)이란 탱크 내부에 설치되는 배관 장치로로서 일정한 위치에 구멍이 뚫려 있으며, 배관의 길이에 따라 동일한 간격으로 배치되고 끝 부분이 막혀 있는 구조로 되어 있다. 스팀은 작은 기포 형태로서 구멍들을 통해 배관에서 유출되어 응축되거나 혹은 액체 표면에 도달하게 된다.(그림 1)

분사관은 제작 비용이 저렴하고 설치가 용이하지만 진동 및 소음이 심하게 발생하는 단점이 있으므로 적절하게 설계된 스팀 분사기(Steam Injector)를 사용하는 것이 좀 더 효과적인 방법이다. 그림2는 분사관의 단점을 보완하고 보다 더 안전하고 안정적으로 스팀을 분사할 수 있는 SD타입 스팀 직접 분사관이다.

다) 스팀 분사기(Steam Injector)

분사관에 대한 효과적인 대안은 그림 3에 제시된 바와 같은 스팀 분사기이다 .
즉, 이러한 스팀 분사기에서는 냉각 액체를 흡입하여 이를 스팀 분사기내에서 스팀과 혼합한 후 가열된 액체를 탱크에 공급한다.

공학적으로 설계된 스팀 분사기 본체는 단순한 분사관에 비해 훨씬 정교하여 고압의 스팀이 이용될 수 있도록 되어 있다. 난류 지역이 스팀 분사기 본체 내에 형성되며 이에 따라 상대적으로 고압조건에서도 스팀과 액체의 완전한 혼합이 가능하도록 한다.

이 경우 액체를 요동 및 순환시킴으로써 온도의 층화 혹은 냉각 지역이 없이 탱크 전체적으로 일정한 온도를 유지시켜 준다. 이러한 스팀 분사기는 분사관에 비해 훵씬 컴팩트하여 탱크에 담궈질 수 있는 물체들과의 간섭을 피할 수 있을 뿐 아니라 설계가 통상 분사관에 비해 더 튼튼하고 대체로 소음이 작다.

라) 분사관(Sparge Pipes:SD Type)과 스팀 분사기(Steam Injector) 비교

마) 온수 탱크 직접 분사 장치 선정

1) 온수 탱크에 공급되는 스팀은 재증발 증기로 압력은 1.0bagr 이다.
2) 스팀 직접 분사 장치의 정상 운전 범위를 보면 스팀 분사기의 경우 스팀 공급
압력이 너무 낮아 소음 및 진동을 발생할 수 있어서 선정이 어렵고, 분사관 SD 타입이 적정하다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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