스팀트랩의 문제
스톨현상이란 무엇일까요?
스톨현상은 다음과 같이 정의됩니다:
스팀트랩과 같은 배출 장치에서 필요 차압을 형성하지 못하는 상태, 즉 음압이 되어 응축수가 배출되지 못하여 열교환기 내부에 체류되는 상태입니다.
스톨현상은 주로 다음과 같은 문제와 연관됩니다.
- 히터의 파손
- 워터햄머
- 불균일한 가열 온도
따라서 증기 시스템에 이러한 문제가 나타나고 있다면, 스톨현상이 발생하고 있을 가능성이 높습니다.
| 장치에서 발생하는 스톨현상 |
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| 응축수가 장치 내부에 체류되는 것은 제품 품질에 영향을 미칠 뿐 아니라 장치의 손상을 초래할 수 있습니다. |
응축수는 트랩 입구(1차측) 압력과 출구 압력(2차측)의 압력 차이를 통해 배출됩니다. 적절한 응축수 흐름을 만들어내기 위해 트랩 입구 압력은 항상 출구 압력보다 높아야 합니다.
증기 시스템은 이 압력 차이를 통해 응축수를 배출하도록 설계되었지만, 다양한 요인이 해당 메커니즘을 방해할 수 있습니다. 예를 들면, 온도 조절을 위한 증기제어 밸브의 사용은 트랩에서 작동 차압이 역전되어 스톨현상이 발생할 수 있습니다.
일반적으로 다음과 같은 조건 때문에 스톨현상이 발생할 수 있습니다.
- 장치 내부가 항상 진공 상태
- 일정한 음의 차압
- 양압에서 음압으로 차압 변화
증기를 사용하는 열풍 히터 스톨현상 발생 메커니즘
일반적으로 열교환기는 예상 가능한 최대 부하를 충족하도록 설계되었습니다. 열교환기의 열전달 표면적은 고정되어 변경할 수 없지만, 부하는 작동 조건에 따라 변동합니다. 예를 들어, 열풍 히터의 공기 유량이 감소하면 열원으로 사용되는 증기의 온도(압력)를 낮추는 방법밖에 없습니다.
온도 제어 밸브의 밸브 개도가 완전히 닫히는 쪽으로 조절되면 열교환기 내부의 압력이 떨어집니다. 그 결과 트랩 입구 압력이 낮아져 출구 압력보다 낮아지면, 응축수가 트랩에서 더 이상 배출되지 않고 장치 내부에 체류됩니다.
| 열풍 히터에서의 스톨현상 |
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설명:
증기를 사용하는 열풍 히터 시스템에서는 압력을 조절하고 균일한 온도를 유지하기 위해 제어 밸브, 온도 센서 및 컨트롤러가 사용됩니다. 위의 애니메이션은 이러한 시스템의 예입니다. 0.3MPaG(44psig)에서의 증기는 80°C(176°F)의 뜨거운 공기를 얻기 위해 사용됩니다. 이러한 상황에서 종종 스톨현상이 발생됩니다.
- 히터는 상온에서 먼저 시작합니다. 제어 밸브에 의해 조절되는 증기는 목표 온도에 도달하는 데 필요한 열을 공급합니다. 이 경우, 80ºC(176°F)
- 온도가 80ºC(176°F)에 가까워지면 제어 밸브 개도가 감소하여 증기 압력 및 열 공급이 감소합니다.
- 공기가 가열되면 히터 내부의 증기 압력과 온도가 떨어지기 시작합니다. 저압 증기로 공기를 가열하면 열교환기 내의 압력이 훨씬 더 떨어집니다. 이로 인해 트랩 작동 시 차압이 불충분해지고 응축수가 히터 내부에 체류될 수 있습니다.
- 그런 다음 온도가 저하되면 제어 밸브는 열림(증기 압력 증가)으로 반응하며, 이때 체류된 응축수가 방출됩니다.
- 이러한 사이클이 반복되어 트랩 작동 차압이 불충분할 때마다 응축수가 체류됩니다.
스톨현상으로 발생되는 문제
체류된 응축수는 트랩 입구(1차 압력)에서 압력을 복원하여 제거할 수 있지만, 입구 압력이 복구되고 체류된 응축수를 배출하는데 걸리는 시간 동안에도 문제가 발생합니다. 스톨현상 현상은 장치 파손, 제품 품질과 생산량에 영향을 줄 수 있으며, 튜브 및 채널 헤드의 가스켓을 손상시키는 등 워터햄머로 인한 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.
워터햄머
워터햄머는 증기가 체류된 응축수와 접촉하여 온도 차이로 인해 급격히 응축될 경우 발생할 수 있습니다. 아래 그림의 셸 앤 튜브 열교환기와 같은 좁은 튜브가 있는 장비의 경우 워터햄머의 충격으로 튜브가 파손될 수 있습니다.
| 수격현상의 애니메이션 |
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| 체류되어 온도가가 낮아진 응축수와 고온의 증기가 접촉하여 수격현상이 발생합니다. |
| 튜브 파손의 애니메이션 |
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| 스팀의 급격한 응축으로 워터해머가 일어날때, 국부적인 진공이 발생됩니다. 진공에의해 뭉쳐진 응축수의 덩어리(슬러그)가 스팀에 끌려가 튜브에 충돌하게 됩니다. 이 충돌은 튜브의 두께가 얇다면 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. |
워터햄머에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오: 워터햄머 튜토리얼
불균일한 온도
자켓 캐틀과 같은 장비에서 발생하는 스톨현상은 제품 온도가 불균일한 심각한 문제를 초래할 수 있습니다.
| 불균일한 온도 애니메이션 |
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| 스톨이 발생하면 응축수가 체류됩니다. 자켓에 체류된 응축수는 밑에서 부터 온도가 낮아지게 됩니다. 이와 같은 구조의 열교환기에서는 전열면에 온도 불균형이 생겨 품질에 악영향을 끼칠 우려가 있습니다. |
트랩을 교체한다고 해서 트랩에서 발생하는 음의 차압이 해결되지 않기 때문에 스톨현상이 발생하는 것을 막을 수는 없습니다.
이와 같이 스톨현상을 방지하려면 일반적으로 다음 두 가지 방법 중 하나가 필요합니다:
- 트랩 입구(1차측) 압력 높이기, 혹은
- 트랩 출구(2차측) 압력 낮추기.
| 균일한 가열 애니메이션 |
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| 스톨이 발생하지 않으면, 자켓은 증기로 채워지게 되고,「압력이 같으면 어떤 곳에서라도 같은 온도를 유지합니다.」라고 하는 포화증기의 특징을 활용하여 균일하게 가열할 수 있습니다. |
스톨현상 및 관련 대책에 대한 자세한 내용은 2부를 참조하십시오: 스톨현상을 방지하기 위한 방법