바이메탈식 스팀트랩의 작동법:메커니즘과 장점 살펴보기

바이메탈은 두 개의 다른 금속이 접합된 자동 온도조절 장치입니다. 이러한 이종 금속은 열팽창 계수의 차이로 온도 변화에 따라 형태가 변형되기 시작합니다.

바이메탈 스팀트랩은 바이메탈 형태의 변형을 통해 밸브 열거나 닫습니다.

일부 바이메탈 스팀트랩은 정해진 작동 온도에서 기능하도록 설계할 수 있습니다. 또한 현장 작업자가 작동 온도를 조정할 수 있는 형태의 바이메탈 스팀트랩이 있어, 온도가 너무 낮을 때 트랩을 열거나 혹은 온도가 너무 높을 때 트랩을 닫는 데 사용할 수도 있습니다.

포화 증기는 압력이 변하지 않는 한 일정한 온도를 유지하지만, 응축수는 압력이 일정하게 유지되는 동안에도 시간이 지남에 따라 열을 잃어 식어 갑니다. 바이메탈 스팀트랩은 응축수의 온도 변화를 활용하여 작동합니다. 그것들은 간단한 구조와 이해하기 쉬운 작동 원리를 가지고 있습니다.

바이메탈 구조는 온도 변화를 기계적 움직임으로 전환할 수 있기 때문에 다른 장비에서도 온도 스위치로 널리 사용됩니다.

증기 압력의 영향을 받지 않는 작동

바이메탈의 형태는 사전 정해진 온도(예: 120°C [248°F])에서 변형됩니다.

따라서 증기 압력이 변화하더라도 스팀트랩 내부의 바이메탈 형태는 스팀트랩 주변 응축수의 온도 변화가 있을 때까지 변화되지 않습니다.

이와 같은 정해진 배출 온도는 적용 용도에 따라 스팀트랩의 장점과 단점이 될 수 있습니다.

일정한 배출 온도의 장점

일정한 배출 온도를 갖는 스팀트랩의 활용예로 저온 증기 트레이스에서 사용되는 온도 조절식 스팀트랩을 살펴보겠습니다.

온도 조절식 스팀트랩은 지정된 온도 아래로 낮아질 때 열리기 때문에, 의도적으로 그 온도를 증기의 포화 온도보다 훨씬 낮게 설정할 수 있습니다. 그러면 응축수가 설정된 온도까지 낮아질 때까지 트랩의 입구 쪽에 체류됩니다. 이러한 경우에는 체류된 응축수가 가지는 현열을 활용하여 장비나 제품을 가열합니다.

증기 트레이싱은 주로 계량기 또는 계측기가 얼지 않도록 보호하고 점도가 높은 유체를 가열하여 배관 라인에서 원활히 흐를 수 있도록 해줍니다.

일정한 배출 온도의 단점

이러한 온도 조절식 트랩의 설계로 배출 온도가 증기 포화 온도 이하로 설정되면 일정량의 응축수가 체류됩니다. 설정된 온도 이하에서 트랩이 열리기 시작하지만, 체류된 응축수는 트랩이 완전히 열리고 최대 배출 용량에 도달할 수 있도록 추가로 과냉각(비등점 아래에서 냉각)되어야 합니다. 배출 온도가 증기 온도보다 현저히 낮으면 응축수가 배관내 너무 먼 구간까지 체류되어 생산 및 신뢰성에 문제가 생기거나 증기 주관에서 워터햄머가 발생할 수 있습니다.

이와 반대로 배출 온도가 증기 포화 온도보다 높으면 스팀트랩이 닫히지 않아 증기 손실이 지속적으로 발생합니다.

배출 온도를 증기 온도 또는 그 근처로 설정하면 바이메탈 스팀트랩이 올바르게 작동하지 않습니다.

이러한 제한 때문에, 바이메탈 스팀트랩은 응축수를 신속하게 배출해야 하는 증기 주관이나 기타 중요한 장비에서 사용하기에 부적절 합니다.

디자인 특성이 다른 많은 종류의 바이메탈 트랩 모델이 있습니다. 특히 바이메탈과 밸브의 모양 및 위치는 트랩마다 다를 수 있습니다.

특정 배관구조는 트랩의 "성능 약화"(마모 또는 균열)로 작용해 특히 바이메탈 방식의 스팀트랩을 더 취약하게 만듭니다. 예를 들어, 2차측 입상배관 설계는 응축수 배출 시스템의 배압으로 작용하여 바이메탈에 대한 응력을 증가시키고 배출 온도를 감소시킵니다.

현대의 바이메탈 스팀트랩

일정한 배출 온도를 가진 스팀트랩은 제한적인 압력 범위의 시스템에서만 사용할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 바이메탈 스팀트랩에는 일반적으로 배출 온도를 조절하는 조정 나사가 있습니다. 그러나 이러한 트랩은 사용 전 시스템 조건에 따라 조절되어야 하며 예기치 않은 변화에 자동으로 조절되지 않아야 합니다. 이러한 이유로 바이메탈 스팀트랩은 특정 용도에만 적합하며 신중하게 선택해야 합니다.

그럼에도 불구하고, 바이메탈 자체는 플로트, 버켓, 디스크 타입과 같은 다른 종류의 스팀트랩에서 보조 기능으로 널리 사용됩니다. 이러한 바이메탈은 주로 에어 벤트로 사용되며, 트랩이 스타트업 시 많은 응축수를 배출하며 정지 시에 잔여 응축수를 배출하는 데 활용됩니다.

플로트 타입 스팀트랩

스타트업 시 시스템 온도가 낮으므로 내부 바이메탈은 열린 상태에 있습니다. 이 상태에서 플로트를 지탱하여 밸브를 강제로 엽니다. 이를 통해 초기 에어와 응축수를 자동으로 신속하게 제거할 수 있으므로 설비가 필요한 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있습니다.

디스크형 스팀트랩

실온에서 C자형 바이메탈 링은 수축하고 밸브 시트의경사진 벽을 따라 미끄러져 올라갑니다. 이 위치에서는 디스크가 시트에서 떨어져 트랩 밸브를 강제로 엽니다. 밸브가 열려 있는 동안에는 대량의 에어와 저온 응축수가 빠르게 통과할 수 있습니다.

응축수의 온도가 올라가면 C자형 바이메탈이 확장되고 경사진 벽을 따라 미끄러져 내려가므로 트랩작동을 하게 됩니다. 이 사이클이 반복됩니다.