열전달의 장애물

 

공정에서 증기의 열을 사용하여 운전을 하는데 증기와 피가열체 사이에 공기, 물, 스케일 등으로 인하여 효율이 저하된다.

 

 

열전달의 장애물

 

공기, 물, 스케일 등

공기, 물 및 스케일이 가열표면에서 어떻게 축적되는지 보여주는 다음 그림 1를 고려해 보자.

 

그림 1. 열전달의 장애물

 

공정에서 증기시스템 운전의 생산성과 비용은 모두 필연적으로 열이 증기에서 공정물질에 전달되는 방법과 관련되어 있다.

전열면의 피가열체 측에는 정체된 제품과 제품 위에 케이크화된 스케일막이 있어 정기적인 청소를 해야 좋은 열전달을 유지할 수 있다. 실제로, 기계적인 교반을 하면 정체된 제품을 표면에서 멀리 움직이게 하여 열저항을 감소시킬 수 있다. 이렇게 하면 금속쪽으로 온도가 낮은 제품을 보내기 때문에, 높은 온도차이를 유지할 수 있으며 전체적으로 온도의 혼 합효과를 높일 수 있다.

금속벽의 증기측에는 배관에서 발생된 녹과 이물질 그리고 보일러에서 캐리오버된 물질로 구성된 스케일층이 있을 수 있다. 이 오염물은 증기 공급 측에 설치된 스트레나를 정기적으로 청소하면 줄일 수 있다.

증기와 금속열전달면 사이에 있는 스케일층 외에 두가지의 막이 더 있다. 하나는 응축수와 습증기에 의해 발생된 수분으로 구성된 수막이다. 그리고 다른 하나는 물보다 열전달을 더 방해하는 공기막이다. 이 막들은 증기가 열전달벽에 이동하여 응축되는 열전달의 결과로 자연적으로 형성된다. 공급된 증기가 습증기이거나 공기를 함유하고 있다면 이 막들은 필요 이상으로 두꺼워질 것이다.

공기와 물은 가능한 한 빨리 그리고 완벽하게 증기공간에서 제거하거나 줄여야 한다. 그렇지 않으면, 열전달량이 감소되어 공정의 생산량이 감소될 것이다.

 

 

그림 2과 3를 통해, 열전달표면에서 발생하는 현상을 좀 더 자세히 알아볼 수 있다. 0.6 mm 두께의 수막(복사용지 2~3장의 두께)은 약 380 mm 두께의 구리벽과 같은 열전달 저항력을 갖는다.

공기막의 효과는 더 엄청나다. 가장 효율적인 보온재는 전도성이 없는 섬유로 둘러쌓인 미세한 공기구멍이라는 것을 알고 있을 것이다. 공기는 스텐레스강 보다 1,100배, 구리보다 약 15,000배 이상의 열전달 저항력을 갖는다. 이는 오직 0.025 mm(25μm, 사람 머리카락의 약 1/3 두께)두께의 공기막이 약 380 mm 두께의 구리벽과 같은 열전달에 저항력을 갖는다는 것을 의미한다.

 

그림 2. 열전달층을 통한 온도 편차-얇은 공기막/수막

 

그림 2에서, 피가열체를 필요한 온도로 가열하기 위해 일정 압력의 증기가 공급된다. 열교환기는 전열계수‘U’에 기초를 두어 계산되고, 열교환기의 열전달량(duty)은 식 Q=U×A×ΔTm에 기초를 둔다. 여기서 ΔTm(℃)는 증기온도와 가열되는 2차측 제품의 평균온도의 차이며, A는 가열표면적(m2)이고 U는 전열계수(W/m2℃ 또는 kcal/m2h ℃)이다.

 

그림 3. 열전달층을 통한 온도 편차-두꺼운 공기막/수막

 

그림 3은 그림 2에 비해 공기막과 수막의 두께가 증가했으므로, ‘U’값은 감소한다. 가열의 요구사항은 변하지 않으므로, 같은 가열효과를 얻으려면 더 높은 온도와 압력으로 제공되는 증기가 필요하다. 이것이 가능하면 열부하는 충족될 수 있으나, 그렇지 않으면 더 낮은 열전달이 이뤄질 수 밖에 없다.

 

그림 4. 일반적인 기수분리기와 스팀트랩

 

결론적으로, 공기막과 수막은 모든 가열장치의 열전달면에 존재하며, 최소로 유지되어야 한다. 증기 공급배관에 설치된 기수분리기는 공기막과 수막을 최소로 유지시키는 데 커다란 도움을 준다.

즉, 기수분리기는 공정을 더욱 안전하게 하고 정비의 회수를 줄이며 공정의 성능을 향상시킨다.

 

Reference : SPIRAX SARCOS 기술자료