Desuperheater
1. 개요
Desuperheating이란 완전 가스 상태를 유지하는 과열증기의 온도를 낮추어 원하는 과열도(궁극적으로는 포화온도)까지 낮추는 과정을 말한다.
Desuperheater란 과열증기의 온도를 낮추기 위하여 증기의 흐름 속으로 물을 분사하는 장치를 말하며, Desuperheating된 증기의 온도를 감지하여 분사하는 물의 양을 제어하는 온도조절 시스템이 함께 설치된다.
Desuperheater를 사용하여 과열증기의 과열도를 낮추어 포화증기를 만드는 근본적인 목적은 공정가열용으로 사용되는 증기는 포화증기를 사용하는 것이 보다 경제적이며 효율적이기 때문이다.
과열증기를 공정 가열용으로 사용할 경우에는 열 전달효율이 떨어져 동일한 열량을 공급하는데 포화증기에 비해 약 10-20% 이상의 전열면적이 더 필요하며 큰 온도 편차에 의한 설비의 수명 문제 등이 발생하고, 온도제어에서도 포화증기는 일정한 온도에서 열교환이 이루어지지만 과열증기는 온도 변화에 따라 열교환이 이루어지다가 포화증기 상태가 되면 다시 일정온도에서 열전달이 이루어지므로, 안정한 열전달이 이루어진다고 보기도 힘들어 공정 가열용으로 포화증기를 공급하고자 하는 것이다.
2. Desuperheater의 Type
Desuperheater의 타입으로는 온도를 낮추는 방법에 따라 다음과 같이 2가지로 분류할 수 있다.
2-1. 직접 접촉식
과열 증기의 온도를 낮추기 위해 사용되는 냉매를 직접 증기의 흐름 속에 분사하는 방식이다.
일반적으로 냉매는 Desuperheating되는 과열증기와 동일한 액체인 물을 사용한다.
이 타입의 Desuperheater로는 Spray Type, Venturi Type 또는 증기 분사 타입(Steam Atomizing Type)이 주로 사용된다.
감압과 Desuperheating을 동시에 하는 Conditioning Valve도 있으나, 이는 Spray Type과 동일한 동작을 한다.
2-2. 간접 접촉식
증기를 냉각시키기 위해 사용되는 냉매가 증기와 직접 접촉하지 않는 방식이다.
주로 저온의 액체, 가스, 증기 또는 주변의 공기를 냉매로 사용하며 일반적으로 간접 접촉식 Desuperheater로는 Shall & Tube Heat Exchanger와 Trombone Type Cooler가 있다.
이 방식은 스팀 시스템에서는 거의 사용하지 않는다.
3. Desuperheater의 종류
3-1. Spray Type Desuperheater
특징 및 작동원리
분사노즐이 Desuperheater의 중앙에 위치하여, 냉각수가 분사노즐을 통해서 증기의 흐름 속으로 분사된다.
증기가 흘러가는 방향과 동일한 방향으로 냉각수가 분사된다. 그러나 경우에 따라 노즐의 분사 방향을 증기의 흐름과 반대방향으로 설치하여, 물과 증기의 접촉시간을 늘리는 경우도 있다.
Desuperheater 내부에 열전달 슬리브(Thermal Sleeve)를 설치하여 Desuperheater의 내벽과 슬리브 사이의 공간으로 과열증기가 순환할 수 있도록 하였다. 따라서 Desuperheater에서 분사되어 내벽과 접촉하는 일부 냉각수를 신속하게 증발할 수 있다. 열전달 슬리브를 설치한 목적은 부하 변동이 심한 공정에서 스프레이 노즐 타입을 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
장점
-. 운전방법이 간단하다
-. 가격이 저렴하다.
-. 압력 강하가 작다.
단점
-. 낮은 부하 조정비 → 냉각수 부하 조정비 최대 3:1
-. 최적의 온도 셋팅 : 포화온도 + 10 °C
-. Steam Atomizing Type보다 길이가 길다.
적용
-. 부하 변동이 적은 공정
-. 증기의 온도가 일정한 공정
-. 냉각수의 온도가 일정한 공정
3-2. Venturi Type Desuperheater
특징 및 작동원리
Venturi Type Desuperheater는 스팀과 냉각수가 쉽게 혼합될 수 있도록 하기 위해서 빠른 유속과 난류를 임의로 발생시켜 Desuperheater의 효율을 개선한 구조이다.
Desuperheating 과정은 2단계로 분리되어 실행된다.
첫번째 Desuperheating 과정은 내부 노즐에서 증가된 증기의 속도에 의해서 물을 분사시켜 증기 속에 분산시킨다. 따라서 첫번째 단계의 Desuperheating은 내부 디퓨저에서 발생한다.
내부의 디퓨저에서 분사된 수증기는 메인 디퓨저에서 증기와 혼합되어 두번째의 Desuperheating 과정이 이루어진다. 즉, 메인 디퓨저에서 증기의 유속이 다시 증가하여 난류가 형성되고 Desuperheating이 이루어진다.
냉각수는 미리 설정된 소구경의 분출구를 통해서 내부 디퓨저에 분사된 후 증기의 흐름에 따라 증기와 혼합된 후 증발하여 포화증기 또는 과열증기가 된다.
장점
-. 냉각수의 부하 조정비가 크다 → 실제 운전조건에서 20:1까지 가능
-. 비교적 압력강하가 적다.
-. 운전방법이 간단하다.
-. 최적의 온도 셋팅 : 포화온도 + 5 °C
단점
-. 스프레이 타입에 비해 가격이 비싸다.
-. 압력강하가 발생한다.
-. Steam Atomizing Type보다 길이가 길다.
Venturi Type이 설치비용이 상대적으로 많이 들지만, 성능과 운전 비용 면에서 효율적으로 가장 선호하는 타입이다.
3-3. 증기 분사 타입 (Steam Atomizing Desuperheater)
증기 Atomizing Type은 효율이 가장 좋다고 볼 수 있으나 용도에 따라 선정한다.
특징 및 작동원리
증기 Atomizing Desuperheater는 디퓨저로 유입되는 물이 원활하게 분사될 수 있도록 하기 위해 고압의 보조증기를 공급하여 냉각수와 함께 혼합하여 공급한다. 일반적으로 보조증기 압력은 Desuperheater 입구측 압력보다 최소 1.5배 이상 되어야 하며, 공급되는 보조증기의 양은 메인 증기량의 2 ~ 5 % 정도가 적절하다.
Desuperheating 과정은 2 단계로 분리된다.
첫번째 단계는 디퓨저에서 빠른 속도의 보조증기에 의해 냉각수가 분사된다. 디퓨저를 통과한 냉각수는 배관에서 증기와 혼합되면서 두번째 단계의 Desuperheating 과정이 이루어 진다.
냉각수는 Desuperheater의 중앙에서 증기의 흐름방향과 동일한 방향으로 분사된다.
장점
-. 부하 조정비가 크다 → 20:1 정도의 부하 조정비에서 가장 효율적, 최대 50:1까지 사용 가능
-. 길이가 가장 짧다.
-. 압력 손실을 무시할 수 있다.
단점
-. 부하 조정비가 20:1 이상인 상태에서 증기의 유속이 낮을 경우 냉각수가 바닥에 고일 수 있다.
-. 고압의 보조 증기가 필요하다.
적용
부하 조정비가 크고 고압의 보조 증기를 이용할 수 있는 장소
4. Desuperheater의 설치
4-1. 온도 감지기의 설치 위치
온도 감지기는 Desuperheater의 설치 위치에서 약 7-10m 후방에 설치한다.
4-2. Drain Pocket의 설치
분사된 물이 증기 속에 안개처럼 분산되지 못하고 배관 하부에 떨어지는 물이 배관을 따라 흐르지 못하도록, Desuperheater의 설치위치에서 3-5m 정도 위치에 배관 구경과 동일 구경의 Drain Pocket을 설치하고 Steam Trap을 통해 물을 제거하도록 한다.
특히 스프레이 노즐 타입이나 벤츄리 타입의 경우 증기의 부하가 감소하여 증기속도가 적정 속도 이하로 떨어지면 물이 충분하게 분산되지 못하고 물방울 형태로 떨어지는 부분도 증가한다.
4-3. 감압밸브 다음에 설치할 경우, 배관 구경의 10배 이상 거리를 이격시켜 설치한다.
감압과 Desuperheating을 동시에 하는 밸브도 있으나 감압을 한 경우에는 온도변화가 발생하고 난류가 형성되어 있으므로, 보다 효율적인 제어를 위하여 감압밸브 다음에 Desuperheater를 설치할 때에는 적어도 배관 구경의 10배 이상 거리를 떨어트려 설치하는 것이 좋다.
참고자료 : (주)한국스파이렉스사코