스팀 열교환기 원리 - seutim yeolgyohwangi wonli

스팀 히팅 (증기에의한가열 및 증기의열전달)

증기에 의한 가열

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증기로 가열하는 가정용 오븐도 많아졌습니다. 옛날부터 증기로「찌다」라는 사용법은 가정에서 친근하게 이용되어 온 방법입니다.

오븐이나 찜은 피가열물에 증기를 직접 접촉시키는 직접 가열입니다. 가정용과 비슷하지만 규모가 커진 것, 살균·멸균 용도, 고무 제품의 가류 공정 등, 증기에 의한 직접 가열은 산업용으로도 넓게 이용되고 있습니다.

한편, 산업용으로서 직접 가열 이상으로 넓게 이용되고 있는 가열 방법이 있습니다. 그것은 간접 가열이라고 하는 방법입니다.

간접 가열이란?

간접 가열이란, 「열교환기」와 같은 것을 사용하는 가열 방법입니다.

증기의 열은 열교환기의 벽면을 통해서 피가열물에 전달 됩니다. 따라서 증기와 피가열물은 직접 접촉하지 않습니다. 증기 가열로 사용되는 열교환기로는 쟈켓식의 솥이나 코일-튜브 또는 플레이트식 열교환기, 핀(플레이트 핀, 에어로 핀)이 포함된 튜브 등이 대표적입니다.

이런 열교환기를 사용하는 가열 방법은 증기에 한정되지 않고, 온수나 기름 등 다른 열매체를 사용할 때에도 행해집니다.

증기 가열의 특징

그럼, 온수나 기름을 사용한 가열과 증기를 사용한 가열과는 무엇이 다른 것일까요?

증기에 의한 가열

증기는 기체 상태로 열교환기에 공급되어 액체 상태(응축수)로 변하여 열교환기로부터 배출 됩니다.

온수나 기름에 의한 가열

온수나 기름은 고온 상태로 열교환기에 공급되고 온도가 떨어진 상태로 열교환기로부터 배출 됩니다.

즉, 온수나 기름 등은 자체의 온도를 떨어뜨려 일을 하는 반면에 , 증기는 기체에서 액체로의 상변화를 통해 일을 한다고 말할 수 있습니다.

증기에 의한 응축전열은, 온수나 기름에 의한 대류전열에 비해 현격히 큰 가열이 가능합니다. 이것으로 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 같은 전열면적을 가지는 열교환기의 경우는…
• 증기 가열이라면 가열 시간을 단축할 수 있다.

• 새로운 열교환기를 설계하는 경우, 같은 일을 하기에도…   
• 증기를 사용하면 전열면적을 작게 설계할 수 있다.

이것은 증기의 중요한 장점 중의 하나이고, 이 밖에도 증기는 여러가지 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 그 때문에 산업적인 열원으로서 넓리 중용 되고 있습니다.

이것들에 대해서는  「증기의 열전달」로 설명하겠습니다.

증기의 열전달

증기 가열의 대표적인 특징

열매체로 보았을 경우의 증기는, 다른 열매체에는 없는 뛰어난 특징이 있습니다. 그 중에서도 대표적인 특징은 아래의 두가지 입니다.

• 균일한 가열을 할 수 있다.
• 빠른 가열이 가능하다.

이번에는 이러한 특징에 대해 열전달의 측면에서 좀 더 자세하게 생각해 보겠습니다.

어떻게 일정 온도로 균일한 가열이 가능한가?

포화 증기는 압력이 정해지면 증기의 온도도 정해집니다. 압력은 공간내에서 순간적으로 변화합니다. 그리고 포화 증기의 응축은 그대로 포화 온도로 발생하게됩니다. 포화 증기와 응축된 포화수의 온도는 같습니다. 즉, 전열면(장치의 쟈켓이나 코일의 내부)을 일정한 압력으로 유지할 수 있다면, 전열면의 어느 곳에서도 같은 온도로 가열을 계속할 수 있습니다.

가열의 속도

열전달의 크기를 나타내는 지표로 열전달계수(= 경막전열계수)가 있습니다.

단위는 [W/m²K]입니다.

W = J/sec 이며, 같은 전열면적과 같은 온도차로 열교환을 실시한다고 하면, 열전달율이 큰 만큼 단시간에 가열을 할 수 있게 됩니다.

온수와 증기의 열전달율은 대체로 아래와 같습니다.

• 온수를 열원으로 사용하는 열교환기의 전열면에 열이 전해질 때의 열전달율:
• 1000 ~ 6000 [W/m²K]
• 증기를 열원으로 사용하는 열교환기의 전열면에 열이 전해질 때의 열전달율:
• 6000 ~ 15000 [W/m²K]

실제 가열에서는, 열교환기 전열벽 내의 열 전달 방법과 열교환기 전열면으로 부터 피가열물에 열이 전해지는 방법이 관계되기 때문에, 그것들을 종합 한 지표로서 총괄열전달계수[W/m²K]로 평가할 필요가 있습니다. 이 계수는 열교환기에 따라 매우 다양하지만, 증기 가열은 온수 가열에 비해 1.5배~2배 정도의 수치를 나타냅니다.

어떻게 빠른 가열이 가능한가?

응축열전달 (증기)

그 비밀은 역시 응축 과정에서 발생하는 열전달입니다.

증기는 응축되어 액체로 돌아오는 순간에, 보유하고 있는 잠열을 방출합니다. 방출된 잠열의 양을 응축 후의 온수(포화수)가 가지는 현열의 양과 비교하면, 그 차이는 실제로 2배~5배 정도가 됩니다. 이 열이 일순간에 방출되어 열교환기를 사이에 두고 피가열물에 전해집니다.

대류열전달 (온수나 기름)

한편, 온수 등은 상변화를 수반하지 않는 대류열전달이며, 열매체는 자체의 온도를 떨어뜨리며 피가열물에 열을 전합니다. 산업현장에서는 펌프를 이용해 가압한 후, 강제로 흐르게 하는 방법이 주로 사용됩니다.

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스팀트랩이란?

스팀=증기, 트랩=덫 입니다.

증기 중의 응축수 만을 배출하고 증기의 누설을 막기 위한 용도로 이용되고 있기 때문에 이렇게 부르게 되었습니다.

밸브용어에 「트랩」은 다음과 같이 정의되어 있습니다.

"기기, 배관 등에서 응축수를 자동적으로 배출하는 자동식 밸브의 총칭"

즉, 자동밸브의 일종이라고 볼 수 있습니다.

어떤 목적으로 설치하는가

증기로 가열을 하는 경우, 왜 스팀트랩이 필요한 것 일까요? 증기는 물이 고온 고압을 거쳐 형성된 기체 이지만, 사용하고 나면(= 잠열을 방출하는 것) 응축을 해서 응축수가 됩니다. 다시 말하면 응축수는 증기가 가지고 있는 능력이 없습니다. 따라서 증기 배관이나 열교환기에서 응축수는 신속하게 제거 되어야 하는 대상물질 입니다.

쟈켓가마에서 스팀트랩이 필요한 이유를 예를 들어 봅니다.

① 쟈켓가마에 증기를 넣어서 쟈켓가마 내부의 피가열물질을 가열합니다. →

② 증기는 사용을 하고나면 열을 잃어 응축수가 됩니다.  →

③ 이때 응축수가 배출을 하지 않으면 전열면이 작아지기 때문에 신속하게 배출을 해야 합니다.  →

④ 밸브를 열어주는것 만으로도 응축수를 배출하는것은 가능하지만 증기까지 누설될 수가 있습니다. →

⑤ 따라서 응축수만을 배출하는 스팀트랩은 증기의 누설없이 응축수를 배출합니다.

왜 "일반" 밸브를 사용하면 안되는가요?

어떤 분들은 「그럼 밸브의 열림 정도를 조정해서 발생한 응축수를 배출시키면 스팀트랩을 사용하지 않아도 괜찮은가?」라고 생각하시는 분도 계실 것으로 생각합니다.

이것은 어떤 제한된 조건에서는 가능할 수도 있지만, 현실적으로 이러한 조건의 범위는 극히 제한 되어 있어 실현 가능한 솔루션이 될 수 없습니다.

밸브의 열림정도를 반고정으로 한 경우 최대의 문제점은, 발생되는 응축수의 양이 변화하는 경우 즉, 부하변동에 대응할 수 없다는 것 입니다. 응축수의 양은 일정하지 않습니다. 장치의 경우, 초기 가동시와 정상 운전시의 차이, 피가열물의 양이 변화할 때, 각각의 응축수의 발생양이 달라 집니다. 증기의 수송 배관에서도 외부의 온도 변화, 비나 눈의 유무에서도 응축수의 발생양은 차이가 나게 됩니다.

응축수양의 변화에 대응하지 못하면, 배출해야만 하는 응축수가 배출이 않되거나, 누설이 되면 않되는 증기가 버려지는 경우가 생기게 됩니다.

밸브의 열림정도를 반고정으로 해서 스팀트랩의 대용으로 사용한다면

→ 응축수 양이 늘어나면 배출을 할 수 없게되고, 응축수 양이 줄어들면 증기가 누설 됩니다. 

증기 사용 장치에서 피가열 물질의 많고 적음, 또는 외부에 설치되어있는 증기수송 배관에서 날씨 좋은 외부 환경으로 온도가 높을 때 혹은 비나 눈으로 외부 온도가 낮을 때, 이런 현상이 일어 날 수가 있을 것입니다.

다양한 구조의 스팀트랩

스팀트랩을 통한 자동 배출을 하기 위한 여러가지 방법(작동원리)들이 개발되어 있습니다만, 현재 주로 사용되고 있는 방법은 온도를 ①이용하는 방법, ②응축수와 증기의 비중차를 이용하는 방법, ③온도변화에 따른 압력의 변화와 운동에너지를 이용하는 방법등이 있습니다. 이러한 타입의 스팀트랩은 각각 고유의 특징들이 있습니다.

스팀트랩의 역사

인류가 산업분야에서 증기를 사용하게 된 것은, 18 세기 산업혁명 이후로, 처음은 증기 기관으로서 펌프나 기관차등의 동력원 이였습니다.

그 후, 동력으로서의 용도는 감소하게 되고, 가열원으로서의 용도로 널리 사용되게 됩니다.

아시는 바와 같이, 증기는 사용하면 응축되어 물로 변화하는 성질을 가지고 있습니다. 당초 이 드레인을 제거하려면, 정기적으로 밸브를 열어 블로우 하던지, 밸브를 조금 열어 증기를 누설 시키면서 배출하였습니다.

밸브의 수동 조작으로 드레인을 배출 시키는 일은 귀찮은 일이며, 증기의 누설도 있습니다. 증기 용도의 확대와 함께, 드레인을 자동적으로 배출하는 밸브의 개발이 진행되어, 스팀 트랩이 탄생하였습니다.

최초로 등장한 것은 1800년대 전반에 개발된 버켓식 스팀 트랩입니다. 1860년대에는 급속팽창식이, 한참 늦은 1930년대에는 바이메탈식이, 그리고 여러분이 잘 알고계신 디스크식은 1940년대 초기에 개발되었습니다. 프리 플로트식은 새로운 기술로 1966년에 실용화되었으며, 가장 새로운 기술인 오리피스식은 1974년도에 실용화 되었습니다.

각 스팀 트랩의 단면도와 개요 설명은 아래와 같습니다.

스팀 트랩에 필요한 기능

이와 같이, 현재에 이르기까지 여러 타입의 스팀 트랩이 등장해 왔습니다. 각각의 모델들은 현재에도 실제로 사용되고 있습니다.

현재, 자동 밸브로서의 스팀 트랩이 가져야 할 기능으로는, 다음의 3개가 중시되고 있습니다.

1. 드레인을 신속하게 완전히 배제하는 기능
2. 장기간에 걸쳐 증기의 누설이 없는 기능
3. 공기등의 불응축 가스 또한 배제하는 기능

이러한 기능은 스팀 트랩의 종류(작동 원리·구조)에 따라 상대적인 강점과 약점이 있습니다. 또, 연속으로 드레인을 배출하는 타입이 있는 반면, 간헐적으로 배출하는 타입도 있는 등, 작동 형태도 다양합니다. 이러한 것들이 각 타입의 특징이 되어 있습니다.

이제까지는 스팀 트랩의 등장에서부터 현재까지의 흐름을 대략적으로 소개 하였습니다. 「아래」에서는 각 트랩의 구조나 작동의 차이를 중심으로 스팀 트랩의 변천사에 대해 알아 보기로 하겠습니다.

스팀트랩의 발전 과정을 보면, 부력을 이용한 메카니컬 원리의 버켓식으로 시작되어, 그 후, 온도차를 이용한 서머스터틱 바이메탈식, 증기→드레인의 상변화와 에너지 보존법칙 등을 이용하는 서머 다이나믹 디스크식으로 이어져 등장 하여온 트랩의 발전 과정에 대해 소개하였습니다. 이번에는, 각 트랩의 작동 원리와, 현재에는 어떠한 트랩이 많이 사용되고 있는지, 그 이유와 함께 소개하겠습니다.

메카니컬 트랩의 변천

가장 역사 있는 메카니컬·트랩 중에서, 비교적 간단하게 양산 할 수 있는 버켓식이 최초로 개발되었습니다. 초기에 많았던 상향 버켓식은, 레버로 밸브를 개폐하는 구조가 아닌, 버킷 자체의 부력으로 밸브를 개폐하는 구조로 인해 대형이 많아, 별로 사용되지 않게 되었습니다. 반면, 레버가 활용되게 되면서 비교적 소형화가 가능해진 하향 버켓식이 현재에도 사용되고 있습니다.

부력체가 밀폐 구조인 플로트식은 플로트를 만드는 것이 가능한 가공 기술의 진보를 필요로 하여, 버켓식보다 나중에 실용화되었습니다. 증기 프로세스에서 드레인의 체류 없이 연속적으로 배출하며,수명도 비교적 길기 때문에 현재에는 큰 배출량이 필요한 장치용 트랩의 주류가 되고 있습니다.

써모 스테이틱 트랩의 변천

메카니컬 트랩은, 부력체와 그것을 담아 두는 바디로 인해 그 크기가 커지게 됩니다 보다 컴팩트한 것을 요하는 필요성에 의해 서머 스테이틱·트랩이 등장했습니다.

이러한 트랩에는 온도를 감지하는 기구로서 벨로우즈나 바이메탈이 사용됩니다만, 모두 동작이 느리기 때문에, 빠른 드레인 배출이 요구되는 가열 프로세스에는 적합하지 않습니다. 그 때문에 현재는 바이메탈식 안에서도 드레인의 배출 온도를 임의로 설정할 수 있는 기능이 부가된 스팀 트레이스용의 온조 트랩이 이 타입의 중심입니다. 또 작동이 느리다는 약점에 대해서는, 봉입한 감온액의 팽창·응축을 이용한 증기압식이 등장하고 있습니다.

써모 다이나믹 트랩의 변천

소형이긴 했지만, 느린 작동이 문제였던 써모 스테이틱 트랩에 대해, 가능한 한 드레인을 모으지 않는다는 필요성으로 부터 서머 다이나믹·트랩이 등장합니다.

그러나, 초기에 많았던 임펄스식은 증기 로스가 컸기 때문에 그 후에 개발된 디스크식이 주류가 되었습니다. 이 디스크식은, 컴팩트 함은 물론, 범용성이 있어 초기 비용이 비교적 싸다고 하는 점이 뛰어나, 스팀 트랩의 역사에서 가장 많이 사용되고 있습니다.

계속 진화하는 현대의 트랩

그런데, 현재도 상기의 3개 타입의 스팀 트랩이 사용되고 있는 것은 지금까지 말해 온 대로입니다만, 현대의 트랩은 어떠한 진화를 하고 있는 것일 까요? 각 타입의 특징을 한층 더 살리는 개량을 중심으로 진화하고 있다고 말할 수 있습니다.

예를 들어, 자동 블로우 기구는, 초기에어를 자동적으로 배제하여, 스타트 업 시간의 단축과 밸브 조작 공정수를 줄일 수 있어, 현재는 많은 트랩에서 사용되고 있습니다. 장치용 트랩에는 고온의 공기도 배제할 수 있는 고기능의 자동 블로우 기구를 갖추고 있는 모델도 있습니다.

사용상의 편리성 면에서는, 설치된 경우에도 분해하는 일 없이 막힘을 해소하는 클리닝 기구를 가지는 제품이 개발되고 있습니다. 이로 인해, 분해 수리나 교체를 별도로 계획하는 일 없이, 일상 점검시에 발견된 막힘은 그 자리에서 처리하여 복구할 수 있게 되었습니다.

이와 같이 눈에 보이기 어려운 부분에서도 스팀 트랩은 진화를 계속하고 있습니다.

메카니컬 트랩의 작동 : 작동 메카니즘과 장점

메카니컬 트랩은 온도조절식 트랩이나 압력 평형식 트랩과 달리, 비중의 차이(물과 증기)를 이용하여 작동합니다. 메카니컬 트랩중 플로트 트랩은 응축수의 양에 따라 플로트가 뜨거나 가라앉아 밸브의 개폐를 조절 합니다.

메카니컬 트랩은 응축수의 양에 따라 반응 하여 작동하는 것으로, 이것은 비나 바람등의 외부의 영향에 따라 상태가 변하는 써모스태틱 트랩과 써모 다이나믹 트랩에 비하여 큰 이점 입니다.

메카니컬 트랩의 두 가지 종류 : 플로트 트랩과 버켓 트랩

메카니컬 트랩은 플로트 트랩과 버켓 트랩의 크게 두 가지의 종류가 있습니다. 플로트 트랩은 보통 구형 플로트를, 버켓 트랩은 원통형의 컵과 같은 버켓을 활용합니다.

두종류의 메카니컬 트랩에 있어서 부력은 작동을 위한 아주 중요한 요소 입니다. 하지만 두 종류의 트랩은 작동 원리에서 상당히 차이가 있습니다.

플로트 타입

플로트 트랩의 내부에서 플로트의 위치는 응축수의 수위에 따라 달라 집니다.

플로트 트랩의 두 가지 종류 : 레버 플로트와 프리 플로트

레버 플로트 트랩은 레버와 접속되어 있는 플로트로 응축수의 배출을 조절 합니다. 응축수가 트랩으로 흘러 들어 오면 플로트는 부력에 의해 뜨게 되고 레버를 움직이게 합니다. 이에 따라 오리피스가 열리게 됩니다. 그러나 레버의 움직임이 제한적이어 유량이 많아짐에 따라 닫히는 힘이 크게 발생하게 되어 응축수의 배출을 방해하게 되는 경우가 있습니다.

프리 플로트 트랩은 레버가 연결되어 있지 않은 플로트 자체가 밸브의 개폐를 담당합니다. 프리 플로트는 오리피스와 독립된 구조로 응축수의 배출을 실시합니다. 또한 프리 플로트의 자체회전이 접촉부분의 마모를 저하시켜 오리피스와의 실링성을 유지할 수 있도록 합니다.

플로트 스팀트랩

버켓 타입(하향 버켓)

하향식 버켓트랩은 레버와 연결된 버켓의 위치에 따라 오리피스의 열림과 닫힘이 정해집니다. 응축수가 버켓의 바깥쪽을 감싸고 있는 상황에서 증기 혹은 에어가 버켓의 하부로 유입되면 부력이 생성되어 떠오르게 되며, 이 위치에서 버켓은 오리피스를 닫게 됩니다. 버켓의 상부에는 일정량의 기체를 배출 시키기 위하여 설치된 벤트홀이 있습니다. 이 벤트홀을 통하여 기체가 배출되면 내부는 응축수로 채워지게 되며, 이로 인하여 부력이 상실되면 오리피스가 열리어 응축수가 배출 됩니다.

연속 배출기능：플로트식 트랩의 중요한 장점

플로트 트랩과 버켓트랩은 작동의 차이가 있습니다.

플로트 트랩은 연속배출임에 비하여 버켓트랩은 간헐적인 작동을 한다는 것 입니다.

응축수를 연속으로 배출시키는 플로트 타입 

연속 배출 이란, 응축수의 유입양에 따라서 플로트가 상하로 움직이며 오리피스의 개도를 자동으로 조정하여 배출시키는 것 입니다. 응축수가 유입되면 유입된 만큼 배출을 시키며 응축수가 유입되지 않으면 오리피스는 닫히게 됩니다.

반면 간헐적인 배출이란, 버켓 내부의 기체가 벤트홀을 통하여 배출되기 전에는 오리피스가 열리지 않으므로 기체의 배출이 우선 이루어져야 응축수를 배출 시킬 수 있는 것과, 응축수의 배출 후 증기가 버켓으로 유입되어 부력을 생성 시켜야 닫힐 수 있는 작동의 원리에 따라 나타나는 현상입니다.

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스팀트랩의 작동과는 상관 없이 응축수는 연속적으로 발생을 합니다. 따라서 간헐적인 배출의 경우 스팀트랩이 닫혀있는 타이밍에는 응축수의 체류가 발생하게 됩니다.

응축수의 발생량이 극히 적은 곳에서의 스팀트랩 선정

응축수를 배출 시키기 위해서는 어떠한 시스템이라고 하더라도 스팀트랩이 필요합니다. 극히 적은 양의 응축수를 발생하는 과열증기라고 하더라도 스팀트랩은 필요합니다. 때문에 극소의 응축수가 발생하는 환경에 있어서 스팀트랩의 작동에 대하여 이해하는 것은 아주 중요합니다.

과열증기의 경우 상당히 적은 양의 응축수가 발생하게 됩니다. 작동중 부력을 만들기에 충분한 양의 응축수가 버켓 트랩으로 흘러 들어오지 못합니다. 결과 버켓은 아랫쪽으로 가라앉은 상태를 유지하게 되며 열리어진 오리피스를 통하여 과열증기의 누설이 발생합니다. 이로 인해 비용상의 손실은 물론 회수배관의 배압상승요인으로 작용하게 되는 위험이 있을 수 있습니다.

플로트 트랩 또한 과열증기 시스템에서 사용시 영향을 받습니다. 레버 플로트 트랩에서 극소량의 응축수는 밸브와 오리피스의 간격이 매우 가까워 높은 유속이 발생되는 것으로 “wire draw.”라고 알려진 에로죤을 발생시킵니다. 프리 플로트 트랩의 응축수 배출 방식은 직접 영향을 미치지 않기 때문에 에로죤의 영향이 적습니다.

메카니컬 트랩의 주목할 만한 특징은 같은 트랩이라도 오리피스의 종류가 다른 것이 있다는 점 입니다. 오리피스의 사이즈는 최대 작동 압력(PMO)을 기준으로 설계 됩니다.

만약 PMO를 초과하는 곳에 스팀트랩을 사용하면 오리피스는 열리지 않아 응축수의 배출이 불가능 하므로 상당히 중요 합니다. 이러한 상황을 “압력에 따른 블록현상”이라 하며 응축수는 배출되지 않습니다.

디스크 트랩의 작동법:메커니즘과 장점 살펴보기

열역학식 트랩은 소형인 크기와 넓은 압력 범위에 대응이 가능하다는 장점이 있습니다. 간단한 구조로 수직과 수평 위치에서도 작동이 됩니다. 이러한 특징들로 열역학식 스팀 트랩은 다양한 트레이싱, 증기 주관, 그리고 비교적 중요도가 적은 공정의 스팀 애플리케이션에서 선호됩니다.

두 가지 타입:디스크식과 충격식

열역학식 스팀 트랩의 기본 종류가 두 가지 있습니다. 열역학적 디스크와 열역학적 충격식. 두 가지 중에서 디스크 트랩이 가장 일반적으로 사용됩니다. 왜냐하면 충격식 트랩은 파일럿 스팀을 누설할 수 있기 때문입니다. 그리고 파일럿 채널이 소량의 이물로 막혀 작동을 하지 않을 수도 있습니다. 이러한 이유로 이 글에서는 디스크 타입의 트랩에 대해서만 다루도록 하겠습니다.

디스크 타입 트랩은 평평한 디스크 밸브에 작용하는 힘의 변화에 따라 밸브가 열리고 닫힙니다. 충격식 트랩의 경우 피스톤 디스크의 움직임이 유량을 제어합니다. 증기는 유량을 증가시키거나 제한하도록 조절될 수 있습니다. 디스크 타입과 충격식 타입의 열역학식 트랩 모두 간헐적으로 응축수를 배출시킵니다.

열역학식 디스크 트랩의 경우, 원형 모양의 밸브 헤드(밸브 디스크)가 열리고 닫히는 것에 따라 응축수의 흐름이 제어됩니다. 디스크는 밸브의 가장 상부에 위치하며 다른 부품과는 연결되어 있지 않습니다.

밸브 시트는 두 가지 동심원 링으로 구성되어 있습니다. : 내부 링과 외부 링. 내부 링은 출구 구멍부터 유체 입구 구멍까지 분리하고 스팀이 출구로 단락 되는 것을 방지합니다. 외부 링은 압력 챔버에서 디스크 위쪽 출구로의 증기 누출을 제어합니다.

열역학식 디스크 트랩의 장점

열역학식 디스크트랩의 한계

열역학식 디스크 트랩의 작동 메커니즘

열역학식 디스크 스팀 트랩은 간헐적, 주기적인 작동 특성을 가지고 있습니다. 밸브 메커니즘이 -디스크와 시트 링으로 구성된- 응축수를 배출하기 위해 몇 초간 열립니다; 그리고 새로운 배출 사이클이 시작될 때까지 일반적으로 더 긴 기간 동안 닫힙니다.

열역학식 디스크 트랩의 열림과 닫힘 동작은 밸브 디스크의 아랫면과 윗면에 작용하는 힘의 차이에 의해 발생됩니다. 이러한 힘은 근본적으로 에어, 응축수 및 스팀과 같은 일반적인 유체의 운동 에너지 및 압력 에너지의 변화에 ​​기초합니다.

초기 가동시 에어가 포함되어 들어오는 유체, 그리고 라인 압력에 응축수(그리고 가끔 증기)가 밸브 디스크의 밑으로 여는 힘(올리는 힘)을 가합니다.;그렇게 함으로써 올라가고 열리게 됩니다. 이 여는 힘은 응축수가 흐를 수 있게 디스크를 올리게 됩니다. 다음 부분에서 디스크 메커니즘이 어떻게 열린 후 닫히는지 설명하겠습니다.

상황 1: 열림위치부터 닫힘위치까지(열역학적 설명)

열린 위치 일 때 디스크 밸브에 작용하는 두 가지 주요 힘이 있습니다. 디스크 위쪽 공간의 증기 압력, 그리고 디스크 밑면에서 흐르는 증기. 밸브를 열고 닫는 작용을 하는 증기는 컨트롤 스팀이라고 알려져 있습니다.

컨트롤 스팀은 습증기 또는 생증기가 될 수 있습니다. 응축수가 트랩에 들어가서 압력 감소로 상변화가 일어난다면 습증기입니다. 응축수 부하가 작거나 설계상 불필요한 증기 손실을 막지 못하는 경우에는 생증기가 될 수 있습니다. 최고의 설계는 생증기의 사용을 최소화하거나 없애고 가능한 습증기를 사용하는 것입니다.

압력실 안에 있는 컨트롤 스팀은 압력×면적의 결과로 밸브 디스크 상부에서 아래쪽으로 힘을 가합니다. 디스크 밑면에 있는 컨트롤 스팀은 높은 속력 때문에 디스크 밑면에 압력 강하를 일으킵니다.

밸브는 축적된 응축수가 배출될 때 응축수가 증기 온도와 가까워지면 닫히도록 설계되었습니다. 닫는 힘이 여는 힘보다 충분히 클 때 밸브는 닫힙니다.

디스크에 작용하는 두 가지 주요 힘이 있습니다. 닫는힘과 여는힘

상황 2: 닫힌 위치부터 열린 위치(열역학식 설명)

닫힌 위치일 때 변압실 내의 증기는 밸브 디스크에 닫는 힘을 가하게 되고 디스크 밸브는 닫히게 됩니다..

시간이 지남에 따라 응축수 유입으로 인한 전도 손실, 환경 조건에 의한 방열손실, 외부 링을 통한 다른 손실(마모나 손상으로 인한)로 변압실 내부는 닫는 힘을 잃어버립니다. 닫는 힘이 여는 힘보다 약해질 때 디스크가 올라가서 응축수를 다시 배출하게 됩니다.

닫힌 위치에서 닫는 힘은 디스크 위쪽에 작용하는 증기 압력에 의해서만 결정됩니다. 여는 힘은 디스크 아랫면적의 입구 압력에 의해서 결정됩니다. 여는 힘 영역은 밸브가 닫혔을 때 감소되고 근본적으로 흡입구 지름에 국한됩니다.

단순하게 설명하자면, 밸브 디스크 상부의 표면적이 아래쪽보다 더 크면 큰 힘의 차이를 만들어서 단단하게 닫힙니다. 이러한 표면적의 차이는 양면에 압력이 비슷하게 가해지더라도 밸브가 열리지 못하게 막기 때문에 몇몇 제조업체는 효과적인 실링을 위해 더 넓은 지름의 디스크를 사용합니다. 닫는 힘이 여는 힘보다 약해질 때 밸브가 열리고 새로운 배출 사이클이 시작됩니다.

상황 3 : 스팀 시스템내부의 에어로 열림과 닫힘 (에어 역학적 설명)

초기 가동시에는 적어도 트랩에 유입되는 증기에 상당량의 에어가 포함되어 있습니다. 에어는 증기가 디스크 트랩을 닫는 힘과 유사하게 작용합니다. 그러나 증기와 달리 공기는 환경 조건에서 응축되지 않아 디스크가 열리지 않습니다.;그리고 일반적인 디스크 트랩은 잠그거나 닫을 수 있습니다. 이러한 상태는 에어바인딩이라고 알려져 있습니다. 에어바인딩은 응축수의 체류를 만드는(콜드 트랩) 전형적인 현상을 발생시킵니다. 그리고 이러한 현상을 처리하기 위한 방법이 몇 가지 있습니다. 관련된 정보로 다음을 참고해 주십시오. ※에어 바인딩

디스크 트랩 제조업체는 다양한 방식으로 에어바인딩 문제를 처리합니다. 일부는 디스크에 의도적인 에어 누설 경로를 만듭니다. 다른 업체들은 초기 가동시 많은 양의 에어를 배출하기 위해 스트레이너에 독립된 블로우다운 밸브를 만듭니다. 설계의 차이점은 정상 작동 중 나타나는 기능적인 증기 손실 값을 참조하면 분명해질 것입니다. 만약 트랩에 이미 누출 경로가 내장되어 있다면 실링 능력이 처음부터 손상되어 있을 수 있습니다.

열역학식 디스크 트랩

에어를 다루는 혁신적인 방법은 초기 가동시 작동하는 내장형 자동 온도 조절 에어 벤트의 조합입니다. 이 디스크 트랩 디자인은 에어벤트 내장형 디스크라고 불립니다.

초기 가동시 에어가 시스템 밖으로 배출될 때까지 온도 조절 링이 시트를 들어 올립니다. 에어가 배출되고 유체 온도가 올라가게 되면 온도 조절 링은 팽창하고 아래쪽으로 내려가서 위치하게 됩니다. 이 시점부터는 밸브의 열역학적 디스크 작동이 정상적으로 수행되지만 밸브 메커니즘에는 에어를 배출시키기 위해서 만든 배출 경로가 필요하지 않다는 이점이 있습니다.

이 설계의 이점은 밸브 메커니즘이 최대한 밀봉되게 만들어진다는 것입니다.

이유는 트랩의 가장 중요한 과제는 증기의 누설을 막는 것 이기 때문입니다.

열역학식 모델은 라이프 사이클 코스트를 낮추기 위해 다른 특징들을 가지고 있습니다.

개선 사항으로는 신뢰도를 높이기 위한 Y-스트레이너, 초기 가동을 위한 블로우다운 밸브, 수리 시 요구되는 유지 보수 비용과 시간을 줄이기 위한 교체 가능한 내부 부품이 있습니다.

※ 에어 바인딩 

에어 바인딩은 트랩(증기/에어/가스)의 내부에 에어로 대표되는 불응축 가스가 체류되어 응축수의 배출이 원활히 진행되지 못하는 상태입니다.

스팀트랩과 같은 응축수 배출 트랩은 아래의 목적으로 만들어진 자동밸브 입니다.

• 응축수의 원활한 배출
• 증기 혹은 에어등 유송기체는 누설되지 않도록 막음

위의 목적에 있어서 에어바인딩이 발생하여 응축수가 배출되지 않는 것은 트랩의 기능상 정상입니다.

에어바인딩의 메카니즘은 스팀록킹과 비슷합니다. 하지만 두가지는 크게 다른 부분이 있습니다. 그것은 스팀록킹은 방열손실에 의한 증기의 응축으로 시간이 지나면 응축수의 배출이 가능하다는 것입니다. 하지만 에어바인딩의 경우에는 에어 자체가 응축하는 일이 없기 때문에 에어가 배출되지 않는한 해결되지 않습니다.

스팀트랩에서의 대책

스팀트랩에서 발생하는 에어바인딩과 에어/가스트랩에서 발생하는 에어바인딩의 원인은 틀립니다.

스팀트랩에 있어서의 에어 혹은 불응축가스는 에어벤트기능을 내장하고 있는 스팀트랩을 설치 하는 것으로 해결이 가능합니다. 이것이 가능한 것은 에어 혹은 불응축가스는 프로세스상 필요가 없기 때문입니다.

증기 시스템에서 에어와 같은 불응축 가스는 배출시켜야 하는 불필요한 존재 입니다. 증기의 송기전 배관과 시스템은 상온의 상태이므로 자동 에어블로우 밸브는 온도의 차를 이용하는 것이 많이 있습니다. 저온상태일때 밸브를 강제적으로 열어 에어를 배출하게 하며 온도가 올라가면 밸브를 닫아 증기의 누설을 방지합니다.

많은 증기 시스템에서는 응축수의 원활한 배출을 위해 X-엘레멘트 혹은 바이메탈을 이용하여 에어를 배출하게 합니다.

에어/가스 트랩에서의 대책

에어/가스 트랩의 경우는 문제의 원인이 되는 것이 유송유체(사용유체)이기 때문에 스팀트랩과 같이 자동 블로우를 이용해 버리는 방법은 불가능 합니다.

트랩 내부의 에어나 불응축 가스를 충분한 체적을 가지고 있는 공간에 보내는 것으로 트랩에 응축수가 유입 될 수 있게 합니다. 이 보내는 것을 균압관을 이용하는 것 입니다. 균압관의 설치에 대해서는 취급설명서를 참조해 주십시오.

균압관의 설치에서 중요한 것은 균압이 잘 되도록 하는 것 입니다. 비중이 큰 응축수는 아래쪽으로 비중이 작은 기체는 위쪽의 균압관으로 돌아가는 것으로 응축수의 원활한 배출이 가능합니다.

균압관 설치의 주의점

접속배관의 압력이 높은 경우에는 역류가 발생해, 더욱 상황을 나쁘게 만들게 만듭니다. 또 균압관의 사이즈가 작으면 배관의 저항에 따른 압력손실이 커져 불응축가스의 배출이 불가능할 가능성이 있습니다.

수직배관에서는 기액치환에 필요한 충분한 사이즈가 확보되어 있다는 가정하에 균압관은 필요하지 않는 경우도 있습니다.

드레인 배출장치 공통

스팀트랩, 에어/가스트랩은 응축수를 신속히 배출시키기 위해서 설치 됩니다.

트랩의 입구의 전단 배관은 입상배관은 없어야 되며, 가능한 큰 사이즈의 배관을 짧게 구성하는 것이 좋습니다.

고정 오리피스 식 드레인 배출 장치 (O-TRAP)

구조

•소모 부품인 뚜껑(가동부)를 갖지 않아、기능이 떨어지는 일이 없다.

•뚜껑의 개폐 대신 、배출구 (구멍)의 면적으로 드레인만을 배출합니다.

•배출 구경 설계를 위한 、드레인량의데이터가 필요합니다.

배출 구멍(오리피스)의 구경을 증기가 새지 않고、드레인을 모두 배출 할 수있는 크기로 설계

•물은 통과하지만 증기는 쉽게 통과 할 수없는 크기의 구멍 (오리피스 이론)이라서 물만 배출.

•물리적 최대 발생량은 불변이라、배출구멍의 구경을 드레인량에 적합하게 디자인하면 뚜껑(밸브)이 없더라도 기수 분리가 됩니다.

•움직이는 부분이 전혀 없고、연속 배출되기 때문에 고장이 없다.

•설치 방향에 제약이없고、자유로운 설치를 할 수 있다.

•드레인을 연속 배출되기 때문에、워터 해머가 없다.

•부하 변동에 신속하게 대응하고、엄격한 온도 제어를 할 수 있다.

•기존의 스팀트랩에서 대응이 곤란한 대용량, 초고압, 초저차압에도 적용할수있다.

 O-Trap 의 작동 이론

​각  Orifice Trap(O-TRAP) 이 가진 드레인 배출능력의 50％ 이상에 해당하는 응축수가 통과하려고 하면、배출 구멍 내부가 드레인으로 밀봉된 상태가 되어, 증기가 통과할 수 없게됩니다. O-Trap 은 이 성질을 이용하여、드레인 발생량의 2배이하의 배출능력을 가진 기기를 각 부분에 선정하여 반 영구적인 성능을 실현하고 있습니다.

드레인의 발생량이、

열교환기 등 압력변동을 수반하는 형태로 부하가 변화하는 경우는、드레인의 부하변동에 압력변동이 비례하기 때문에、배출능력은 이에 추종합니다.↓  

아래 그래프는, 차압 0.25MPa에서 증기 소비량 (=드레인 발생량)이 800 ㎏/h의 장치에 설치한 오리피스의성능 곡선입니다.

로드가 내려가, CV에의해 증기 공급량이 400 ㎏/h 으로 조이면,공급량에 비례하여 차압이 작아지기 때문에 오리피스의드레인 부하는 거의 일정하게 유지됩니다.

즉, 최대 증기 소비, 최대 차압 조건에 오리피스를 설계하여 증기 누설이나 드레인체류없는 안정된 운전을 할 수 있습니다.

↑드레인 량이 적어지면、압력도 비례하여 저하되므로、O-TRAP 의 배출능력도 같은 만큼 저하하여、추종합니다.

고정오리피스식 스팀트랩인 O-Trap과 기존STEAM TRAP과의 차이점은, 아래와 같습니다. 

↓ 가벼워서 높은 위치에도 설치 가능 ↓ 

↓ O-TRAP 위치 ↓

↓Steam In-Out 계통도 및 Steam Trap- O-TRAP 위치↓

상담 문의 :      Tel : 070-7747-8290

                E-Mail :  

             홈페이지 : //k.o-trap.cn