열매체의 종류

 

일반적으로 사용되는 공정 및 난방용 열매체에는 온수 (저온수, 중온수, 고온수), 고온 열매유, 증기가 있다.

 

 

열매체의 종류

온수(Hot water)

1) 저온수 (Low temperature hot water systems:LTHW)

저온수는 일반적으로 82 ℃로 가열하여 난방용으로 사용한다. 일반적으로 10℃ 온도차를 이용한다. 반면에 영국에서는 11℃, 유럽에서는 20 ℃의 온도차를 이용하고 있다.

2) 중온수 및 고온수 (Medium & high temperature hot water systems : MTHW & HTHW)

중온수 및 고온수는 가압시스템과 함께 더욱 높은 온도로 가열된다. 중온수는 주로 지역 난방에 사용되고, 고온수는 공정에 사용된다.

가압 수배관 시스템은 팽창탱크를 갖는 밀폐식 시스템이다. 가압은 질소와 같은 불활성 가스 쿠션을 사용하여 얻어지며 패키지화된 가압시스템에 의해 제어된다.

고온수 시스템은 일반적으로 6bar로 가압되는데 이는 165℃의 포화온도에 해당한다. 그렇지만 실제로 시스템은 148℃의 온도에서 운전되도록 제어된다.

만일 압력이 떨어지면 시스템 내에서 발생할 수 있는 재증발증기의 생성을 방지하기 위해, 이와 같이 낮은 온도에서 운전된다.

이 17 ℃(165℃-148 ℃)의 차를 재증발 방지 여유(anti-flash margin)라고 한다.

중온수 시스템 또한 100 ℃에서 최고 120℃의 시스템 설계온도에서 운전되는 가압 시스템이며 재증발 방지 여유(anti- flash margin)를 가지고 있다. 한국의 경우 일반적으로 115℃로 공급하고 있다.

표 1. 수배관 시스템에서 일반적인 온도, 압력

열량(kW) = m×Cp×ΔT

여기서, m = 질량 유량(kg/s), Cp = 4.186kJ/kg K, ΔT = 온도 변화(℃)

 

 

열매유 (High temperature thermal fluids)

높은 운전온도가 필요한 곳에서는 고온 열매유 시스템이 고온 또는 증기시스템 대신 사용된다.

이 시스템은 300 ℃까지의 비등점을 갖는 석유류와 같은 비독성 매체를 이용하여 대기압 또는 저압에서 운전된다.

300~400 ℃의 높은 온도가 필요한 곳에서는 합성 열매유가 사용된다.

열매유는 다음과 같은 단점이 있다. :

- 가연성이다.

- 열전달 계수가 물이나 증기에 비해 낮다.

- 물보다 더 비싸다.

- 누출되면 문제가 된다.

- 정비, 보수를 위해 시스템을 드레인할 때 복잡하다.

 

 

증기(Steam)

- 높은 열 함유량 및 빠른 이동성 때문에 동일 양의 열을 수송하는데 액체 시스템에 비해 증기는 일반적으로 더 작은 구경의 배관을 필요로 하므로 투자비가 적게 든다.

- 증기배관은 상대적으로 가볍다. 저온수(LTHW) 시스템에서 80 mm의 배관 20 m는 100kg의 물을 함유하지만, 같은 구경과 길이의 배관에서 차지하는 6bar.g 증기의 무게는 약 0.37kg이다. 이로 인해 배관의 지지가 단순해진다.

*또한 6 barg의 증기를 이송하는 80mm 배관의 수송능력은 LTHW(10 ℃ 온도차)보다 4배 정도 크다. 동일 양의 에너지를 전달하기 위해 LTHW에서 80mm 배관이 필요하다면, 6barg의 증기는 오직 40 mm 배관만을 필요로 한다.

- 증기는 배관에서의 압력차에 의해 흐르기 때문에 순환펌프가 필요없다. 증기시스템은 보일러 급수펌프와 응축수 회수펌프가 필요하지만, 가격적인 면에서 아직도 증기가 이점이 있다.

- 증기에는 유연성이 있어 공급의 한계 내에서 부하를 자유자재로 늘일수도 줄일수도 있다.

- 액체 시스템에서 발생하는 문제로 인해 변속 펌프, 시스템의 밸런싱, 차압 조절 등을 사용해야 한다.

- 증기시스템에서는 일반적으로 3방 밸브를 사용하지 않고 2방 밸브를 이용해 제어한다.

  1) 증기의 열전달계수는 보통 물 열전달계수의 2배이므로 공정의 크기가 작아진다.

  2) 증기는 균일한 온도로 공간을 채운다. 이는 열교환기에서 채널이나 배플에 사용되는 비용이 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 더 낮은 온도가 필요하면 증기의 사용처에서 콘트롤 밸브를 이용하여 쉽게 얻을 수 있다.

  3) 증기는 높은 열전달 속도를 가지고 응축되기 때문에 열교환기의 열전달면적이 작아도 된다.

  4) 증기는 콘트롤 밸브의 반응에 매우 빠르게 응답하여 열교환 장치의 1차측 온도를 빠르게 변하게 한다.

- 증기를 사용하는 열전달 공정에서는 항상 증기의 온도가 균일한데 반해 액체시스템에서는 가열표면을 따라 항상 온도편차가 일어난다. 이것은 증기에 의해 가열되는 세탁소용 회전 실린더형 다리미 또는 섬유 건조 실린더와 같은 균일한 표면온도를 요구하는 공정에서 매우 중요하다. 이 두 경우에 있어 전체적인 표면에서 온도가 불균일하면 불균일한 건조와 재질의 주름을 유발할 수 있다.

- 증기 사용 설비는 정비를 위해 증기 공급을 차단하면 거의 즉각적으로 접근이 가능하다. 열매유나 물을 사용하는 시스템처럼 열매유나 물의 온도가 높기 때문에 시스템을 드레인 하기 전에 액체를 냉각시키기 위해 기다릴 필요가 없다. 나중에 재 사용하거나 환경을 오염시키지 않기 위해 액체를 버리지 않도록 주의할 필요도 없다.

 

 

100 kW(=86 Mcal/h)의 에너지를 수송하는 유량과 배관 구경 비교

3가지의 서로 다른 열전달 매체를 이용하여 100 kW(=86 Mcal/h)의 에너지를 수송하는데 필요한 질량유량을 비교하도록 하자 :

1) 물(LTHW)

유량(kg/s) = 100 kW / [ 4.186 kJ/kg ℃×(82-72)℃ ] = 2.39 kg/s

2) 열매유(Thermal oil)

유량(kg/s) = 100 kW / [ 0.55 kJ/kg ℃×(300-280)℃ ] = 9.1 kg/s

3) 증기

6barg의증기에서, 증발잠열 : 2,066 kJ/kg(=494 kcal/kg)

1 kW = 1 kJ/s이므로

100kW(=86Mcal/h)의 에너지를 수송하기 위한 질량 유량 = 100kW / 2,066 kJ/kg = 0.048 kg/s(=174 kg/h)

 

질량유량을 비교해 보면 명백히 증기가 유익하다는 것이 분명하다.

그러나 배관 구경은 기본적으로 부피유량에 의해 결정되므로, 100 kW(=86 Mcal/h)의 에너지를 이송하는 저온수(LTHW)와 증기에 대한 상대적인 배관 구경은 다음과 같다

일반적으로 LTHW는 200~400 Pa/m(=2~4 mbar/m)의 차압과 약 1~2 m/s의 속도를 기준으로 하고, 증기는 25 m/s의 속도를 기준으로 한다.

1.1 m/s에서 LTHW : 50 mm 배관(10℃의온도차)

1.2 m/s에서 LTHW : 32 mm 배관(20 ℃의온도차)

25 m/s에서 6 bar g의 증기 : 25 mm 배관

LTHW 및 열매유와 비교할 때, 증기는 동일한 양의 열전달을 하는데 더 작은 구경의 배관을 사용한다.

 

Reference : S P I R A X  S A R C O S 기술자료