기수분리기(Condensate Separator) = 세퍼레이터 (Separator)

[philko]

기수분리기(Condensate Separator) = 세퍼레이터 (Separator)

스팀배관에는 배관을 따라 흐르는 응축수 및 스팀과 함께 떠다니는 가벼운 물방울 입자 두가지 형태로 응축수가 존재하게 된다. 스팀과 함께 떠다니는 가벼운 물방울 입자는 스팀에 비해 비중이 1,000배 이상 크며 각종 고가의 밸브류, 피팅류, 공정설비를 침식시킨다. 그러므로 반드시 기수분리기를 설치하여 이 수분을 제거해 주어야 한다.

적용범위는 주증기라인, 스티머(steamer), 블로워(Blower), 오토마이저(Atomizer), 반죽기(Kneader) 등 생증기를 사용하는 각종 증기 가열장치 입니다.

1. 기수분리기의 기능

   1) 기수분리 기능
       증기 및 공기로부터 증기나 공기 중에 떠다니는 미세한 물방울 제거
   2) 에어벤팅 기능(증기시스템)
       증기시스템내의 공기를 증기로부터 분리해 벤트하는 기능

2. 기수분리기 종류

   1) 차폐판식(Baffle Type) 기수분리기 : 기수분리기 내부에 차폐판을 설치하여 증기나 공기중의 물방울을 부딪치게 하여 부딪친 물방울이 속도를 잃고 기수분리기 하부로 떨어지게 함으로써 물을 분리시킬 수 있는 구조로 되어 있다.

차폐판식(날개식, Vane type이라고도 한다) 기수분리기는 많은 수의 차폐판을 가지고 있어, 기수분리기의 몸체를 통해 증기가 통과함에 따라 유체의 흐름 방향이 여러 차례 바뀌도록 한다. 떠다니는 물방울은 증기에 비해 상대적으로 무겁고 더 큰 관성을 가지고 있다. 그래서 유체의 흐름방향이 바뀔 때 차폐판 둘레로 건조한 증기가 흐르고 물방울은 차폐판 위로 모인다. 또한 기수분리기는 큰 내용적을 가지고 있기 때문에 배관에 비해 유체의 속도가 떨어진다. 이에 따라 물방울의 운동에너지가 줄어들고 물방울 중 대부분이 부유상태로부터 하부로 떨어지게 된다.
응축수는 기수분리기 바닥에 모인 후 스팀트랩을 통해 드레인된다.

   2) 사이클론식(Cyclonic Type) : 사이클론식(원심식이라고도 한다) 기수분리기는 고속의 원심 흐름을 만들기 위해 일련의 핀을 사용한다. 증기의 속도에 의해 기수분리기 몸체 둘레로 증기가 소용돌이 쳐서 무겁고 부유상태의 물이 벽쪽으로 던져진다. 이 물은 바닥으로 떨어져 기수분리기 하부에 설치된 스팀트랩을 통해 드레인 된다.

   3) 원심력식(Cyclone Steam Separator, 遠心式汽水分離器) : 나선형 유로를 통과한 증기나 공기중의 물방울은 기수분리기 하부로 배출되며 증기나 공기는 상부를 통해 나갈수 있는 구조로 되어 있다.

증기류의 원심력 작용에 의해 기수 분리를 행하는 것으로, 그림에 원심식 기수 분리기의 예를 들었음.

사이클론 세퍼레이터에서 증기를 선회 운동시키고 그 원심력에 의해 수분을 분리하며, 그 증기를 다시 골판을 겹쳐 만든 장치. 즉, 스크러버(Scrubber)를 통과해서 수분을 제거한다.

              

다음 표에는 차폐판식(Baffle type)과 사이클론식(Cyclonic type) 기수분리기의 중요한 차이점이 정리되어 있음.

표 : 차폐판식(Baffle type)과 사이클론식(Cyclonic type) 기수분리기의 비교

	차폐판식(Baffle type)	사이클론식(Cyclonic type)
압력 손실	상대적으로 낮다	상대적으로 높다
효율	넓은 유속 범위에서도 높다	좁은 유속 범위에서 높다
물의 재유입	약간	유속이 빨라지면 상당히 많다
구경 선정	배관의 구경에 따라 선정	최대 효율을 보이도록 선정

생증기의 손실 없이 응축수의 효과적인 제거를 위해서는 적합한 스팀트랩을 기수분리기의 응축수 출구측에 설치해야 한다. 여기에 가장 적합한 스팀트랩은 "고정 오리피스 타입"으로서, 응축수를 생성 즉시 배출하는 특성을 가지고 있다. 일부 기수분리기는 기수분리기 몸체 내부에 스팀트랩의 메커니즘을 가지고 있는 경우도 있다.
대부분의 수직형 기수분리기는 몸체의 상부에 구멍을 가지고 있다. 이것은 증기용 에어벤트를 설치하기 위한 것으로써, 초기 가동 시 증기 공간에서 공기를 제거하기위한 것이다. 

3. 기수분리기 성능

   1) 기수분리 효율 :

       증기속도별 기수분리율로 나타낸다.
       사이클론식, 원심력식 – 증기속도 12m/sec 일때 약 98%
       증기속도 20-25m/sec 일때 약 40-60%
       차폐판식 – 증기속도 10-47m/sec 일때 100%

         

     2) 압력강하 : 차폐판식의 압력손실값은 사이클론식의 약 50%

4. 기수분리기 설치효과
   1) 공정설비의 효율 및 제품의 품질향상
   2) 설비 및 컨트롤 밸브의 수명연장
   3) 워터해머에 의한 설비손상감소
   4) 각종 유량계(증기, 압축공기, 가스용)의 정확도 향상

5 기수분리기 설치위치
   보호하고자 하는 기기(특히, 유량계)에서 배관구경의 약 6-40 배 거리 정도의 전단에 설치

6. 기수분리기의 응용

   ▶ 증기수송배관

        현대의 패키지 타입 보일러는 증기가 매우 고속으로 분리되어 증기시스템에 공급되도록 증발 면적 및 증기 공간(Steam space)이 최적화되어 있으며 습증기가 발생할 가능성이 그만큼 높다.
캐리오버된 수분은 증기 수송배관, 컨트롤 밸브, 공정설비 모두에서 문제가 되는 불순물 및 수처리약품을 포함하고 있다. 당연히 차폐판식 기수분리기를 설치하여 이것을 제거해 주어야 하며, 증기시스템에 항상 건조한 증기가 공급 되도록하여 전열면적 및 컨트롤 밸브에서 스케일을 감소시킨다.

   ▶ 가열공정설비 및 컨트롤 밸브의 보호

        부하가 낮은 경우 컨트롤 밸브는 밸브헤드가 시트에 거의 근접한 상태에서 작동하며 증기의 질에 따라 수분에 의한 침식(Wire Drawing 이라고 부름) 가능성이 대폭 증가한다. 전열면 역시 수분에 의한 저항막 형성으로 열전달 효율이 감소하고 동시에 침식 등의 위험역시 증가한다. 기수분리기는 항상 건포화증기만 공급하여 설비의 생산성을 향상시키고 컨트롤 밸브와 설비를 보호한다.

   ▶ 압축공기 수송배관

         압축공기에 수분이 존재하면 시스템의 부식 및 워터해머 가능성이 매우 커진다. 압축공기가 수송배관으로 공급되기 전에 기수분리기를 이용 수분을 제거하여 이와 같은 문제를 사전에 예방한다. 포화 증기만 공급하여 설비의 생산성을 향상시키고 컨트롤 밸브와 설비를 보호한다.

   ▶ 유량계 보호

         유량계로 증기가 공급되기 전 기수분리기를 이용하여 수분을 제거, 항상 건포화 증기가 공급되도록 하여 습증기에 의한 유량계의 침식을 방지하고 정확도를 향상시킨다.

   ▶ 발전용 증기터빈의 보호

         운전 초기에는 습증기가 공급될 수 있으며, 기수분리기를 이용, 모든 수분을 제거하여 터빈으로 항상 건증기가 공급되도록 한다. 값비싼 터빈 날개(Turbine Blades) 및 케이싱(Casing)을 침식, 워터해머에 의한 손상으로부터 보호한다.       

                    기수분리기의 설치방법 

기수분리기는 보호해야 할 공정설비 혹은 감압밸브, 컨트롤 밸브, 유량계 등의 수평 스팀배관의 전단에 설치한다. 기수분리기가 항상 최고의 효율을 유지하며 응축수를 분리, 제거하도록 응축수 배출구에는 "오리피스식 스팀트랩"을 설치하여 응축수가 생성하는 즉시 바로 배출되도록 한다.

                  기수분리기의 효율적인 사용

기수분리기의 효율은 배관을 따라 공급된 총 수분 함량 대비 기수분리기에서 제거된 수분량으로 측정된다. 그러나 실제로 이것을 측정하는데는 여러가지 어려운 점이 있다. 물방울은 배관의 단면적 전체에 골고루 퍼져서 흐르지 않는다. 배관 하부를 따라 흐르는 응축수는 상대적으로 제거하기가 쉽지만 스팀과 함께, 스팀 중에 떠다니는 미세한 물방울 입자는 제거하기가 매우 어렵다.
기수분리기는 스팀과 함께 배관에 떠다니는 매우 미세한 물방울 입자 및 배관 하부를 따라 흐르는 응축수 모두를 효율적으로 제거하도록 설계되어야 하며 차폐판식 기수분리기는 배관 단면적보다 충분히 큰 내용적 및 차폐판을 이용하여 효율적으로 수분을 제거할 수 있도록 설계되어 있다.
스팀, 압축공기 또는 가스의 유속은 기수분리기 내로 유입되면서 크게 떨어지게 되고 유체속에 섞여 있던 미세한, 상대적으로 스팀이나 가스보다 매우 무거운 물방울 입자는 차폐판에 부딪쳐 에너지를 잃고 밑으로 떨어져 배출점을 향해 흘러내리게 된다. 이렇게 분리된 수분은 스팀시스템에서는 "고정 오리피스식 스팀트랩"을 통해서, 압축공기 및 가스 시스템에서는 가스트랩을 통해서 즉시 배출된다.
기수분리기의 내용적은 광범위한 유속변화에도 압력손실이 거의 없도록 최적화되어 있는 제품이 좋다.
때때로 고속을 이용하여 수분을 분리하는 원심식 기수분리기가 사용되는 경우가 있다. 그러나 원심식 기수분리기는 유량 및 유속이 낮을 경우에는 효과가 있지만 유속이 커지면 효율이 급격히 떨어지게 된다. 또, 기수분리기 내에서 고속이 요구되기 때문에 이미 분리되었던 수분이 다시 스팀에 흡수되는 문제와 상대적으로 큰 압력손실이 발생한다. 결국 이것은 스팀시스템에서 공정설비의 효율을 저하시키고 압축공기 시스템에서 장치의 출력을 감소시킨다. 일반적으로 차폐판식 기수분리기는 광범위한 유속 변화에도 효율적으로 응축수를 분리해 낼 수 있도록 설계 제작되어 있다.

예제)

90%의 효율을 갖는 기수분리기가 건도가 0.95인 증기를 수송하는 증기 주관에 설치된다.

기수분리기를 통과한 증기의 건도는 얼마인가 ?

​건도가 0.95인 증기는 1,000 kg의 증기에 다음과 같은 양의 물이 포함되어 있다.
(1–0.95)×1,000 kg=50 kg의 물

기수분리기의 효율이 90%이기 때문에 45 kg의 물(=50 kg×0.9)이 제거된다. 따라서 기수분리기를 통과한 증기의 건도는 다음과 같다.

​이 정도의 건도는 실무적으로 완벽하게 건조한 것으로 볼 수 있다. 그러나 기수분리기의 효율이 50% 밖에 되지 않는 경우, 단지 25 kg의 물만이 제거된다. 따라서 기수분리기를 통과한 증기의 건도는 다음과 같다.

​원래의 건도 0.95에 비해서는 건도가 향상되었지만, 증기는 여전히 상당한 양의 물을 가지고 있다.

차폐판식(Baffle type) 기수분리기는 몸체 내부의 체적이 매우 크기 때문에 증기 속도가 떨어져, 차폐판식(Baffle type) 기수분리기에서의 압력 손실은 매우 작다. 일반적으로 압력 손실은 동일한 공칭구경 배관의 상당거리에 비해서도 작다. 그러나 사이클론식(Cyclonic type) 기수분리기는 사이클론 효과를 만들어 내기 위해 유체의 속도가 유지되어야 하기 때문에 압력 손실이 다소 크다.
중요하지 않는 응용처에서, 차폐판식(Baffle type) 기수분리기는 일반적으로 배관의 구경에 따라 선정된다. 그러나 선정된 기수분리기의 구경이 최대의 기수분리 효과를 가지고 있는지, 압력 손실이 허용되는 한계 내에 드는지 확인해야 한다. 중요한 응용처에서, 적절한 효율 및 압력손실을 위해 운전압력과 유량을 기준으로 기수분리기를 선정하는 것이 더욱 일반적이다. 사이클론식(Cyclontype) 기수분리기는 기수분리기 내에서의 속도가 기수분리기의 효율을 높게 유지하는 데 있어 중요한 요소이고, 기수분리기에서의 압력손실이 허용 범위 내에 있어야 하기 때문에 선정이 더 복잡하다. 앞의 예는 일반적인 제작사의 선정 차트를 이용해 차폐판식(Baffle type) 기수분리기를 선정하는 방법을 보여준다.

     기수분리기를 이용한 효율적인 공기제거

기수분리기 내부의 차폐판과 수직형상은 기체나 가스로부터 액체를 분리하는데 매우 효율적인 역할을 한다. 똑같은 원리에 의해 공기 역시 스팀으로부터 분리되어지며 기수분리기 상단에 모여진 후 에어벤트를 통해 대기중으로 배출된다. 이렇게 공기를 제거함으로써 스팀설비의 생산성은 향상되게 된다.
따라서, 반드시 적절한 에어벤트를 선정하여 기수분리기 상단의 에어벤트 연결구에 설치하여야 한다.

           효율적으로 수분을 분리하기 위한 기수분리기 선정

기수분리기가 유량계 또는 컨트롤 밸브의 정확도 유지나 안정적인 운전을 위해 각 기기의 1차측 배관에 설치되어 사용될 경우, 고효율 기수분리기를 사용한다.
아래의 기수분리기 선정챠트는 여러가지 조건에서 기수분리효율과 압력손실값을 미리 안 다음 기수분리기 구경을 경제적으로 선정하는데 사용될 수 있다.

유체의 압력과 유량이 주어지면 요구되는 속도와 압력손실값에 맞는 기수분리기를 선정할 수 있다. 유체의 속도와 압력손실값이 그렇게 중요하지 않은 경우 기수분리기의 구경을 줄이기 위해 속도와 압력손실값을 높여 기수분리기를 선정할 수 있다. 그러나 이러한 모든 조건을 고려하여 기수분리기를 선정하는 경우에도 기수분리기의 효율은 항상 100%를 유지하도록 선정하여야 한다.

■ 기수분리기의 보온(Insulation)

기수분리기를 보온하지 않으면 외기로 노출된 큰 표면적으로 인해 많은 양의 물방울이 생성된다. 또한 기수분리기의 표면으로부터 많은 양의 열손실이 발생한다. 예를 들어, 150 ℃의 증기가 있는 기수분리기를 보온하고 15 ℃의 외기에 노출될 경우 년간 8,600 MJ 정도의 에너지를 절감한다.(년간 8,760 시간 사용, 정체 공기, 복사에 의한 열손실만 고려) 기수분리기를 보온하면 이 열손실은 매우 효과적으로 감소하여 보온을 위한 초기 투자비용은 매우 짧은 기간 내에 에너지 절감에 의해 회수된다.

스팀-Z 선정-北京希必爱商贸有限公司

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Q. 기수분리기는 설치되어 있으며 스팀의 공급압력은 2 bar g 인 현장 입니다.

    이 공정에서 스팀을 직접 분사하여 약 80℃까지 승온하여 피가열체를 익히고 있습니다.

    그런데 가끔 원하는 온도까지 승온이 안되는 경우가 있습니다.

    혹시 스팀트랩에서 응축수 배출이 안되어 배관내의 수분이 제품에 접촉하여 열량부족으로

    승온이 안되는 것인지? 에 대해서 검토를 해 본다면~.

기수분리기를 설치하게 되면 건도가 99 % 이상이 되는 스팀이 제품과 접촉하게 되므로 최대한의 열을 공급하게 됩니다.

이제 기수분리기가 전혀 설치되지 않아 건도가 약 92 %인 스팀이 공급된다고 가정해 봅니다.

공급되는 스팀의 양이 2,000 kg/h라고 할 때 무게 기준으로 8 % 즉, 약 160 kg/h는 2 bar g 일때의 포화온도 133℃인 물로 공급되고 92 %인 1,840 kg/h는 스팀으로 공급됩니다. 따라서 다량의 수분이 공급되어 열량 부족으로 인식하는 경우가 많습니다. 그러나 실제로 응축수의 온도는 포화온도인 133℃이므로 일단 제품 가열에 도움을 주고 있습니다.
그런데 우리가 무게 기준으로 볼 때는 문제가 많은 것처럼 보이지만 실제는 부피기준으로 검토해 보아야 합니다. 즉 2 bar g 스팀의 비체적은 0.61 ㎥/kg이므로 물의 부피에 비하여 약 600 배나 큽니다. 따라서 시간당 1,840 kg의 스팀과 160 kg의 물이 공급될 때 물의 부피는 변함없이 160 리터 인데 비하여 스팀의 부피는 1,122,400 리터가 되므로 전체 부피는 1,122,560 리터가 됩니다. 이때 수분의 부피비율은 0.014 %로 스팀 중에 잘 분산되어 공급되면 육안으로는 스팀 중의 수분을 식별할 수 없습니다.
스팀 중에 수분이 보이는 경우는 대부분 분사되는 스팀이 실내공기와 접촉하여 냉각되면서 안개처럼 보이는 경우와 스팀 배관을 타고 흘러온 수분이 스팀 중에 혼입되는 경우라고 할 수 있습니다.
이제 스팀 중에 수분이 분산되어 공급되면 수분의 부피가 0.014 %로 너무 적어 제품과 접촉할 때 차지하는 면적이 거의 없습니다. 따라서 수분이 먼저 제품과 접촉한다고 하여도 열 교환에 미치는 영향은 거의 없다고 할 수 있습니다.
그런데 분사된 스팀이 제품과 접촉하여 응축하면 이 응축수는 제품에 흡수됩니다. 따라서 스팀과 함께 분사된 수분도 제품에 흡수되는데 그 양이 무게 기준으로 8 %가 되므로 수분이 너무 많다고 할 수 있으나 133℃의 수분이므로 가열에 도움이 됩니다.
경우에 따라 배관에 모여 있던 물이 넘어 들어오는 경우가 있을 수 있습니다. 이 때는 스팀으로 가열하는 것에 비하여 열은 적으나 133℃의 물이 제품과 접촉할 때 물의 비열이 크므로 제품 가열에 도움이 될 수도 있습니다.
공정온도가 80℃인 경우 압력 2 bar g의 수분이 갖고 있는 열량은 134 kcal/kg이므로 스팀의 전열 650 kcal/kg에 비하여 열량이 약 1/5정도 밖에 되지 않지만 피가열체의 승온 온도가 80℃이므로 134 kcal/kg의 열량으로 80℃까지 가열하는데 도움을 주고 있습니다. 그러므로 수분의 양이 많아 가열이 안 된다는 것은 잘못 이해하고 있는 것입니다.
오히려 컨트롤 밸브의 사이즈나 배관내 공기가 원인일 수 있습니다.
   예를 들어 건도가 90 %인 2 bar g의 습증기 1,000 kg/h를 사용하는 경우와 건도가 100 %인 2 bar g의 건포화증기 1,000 kg/h을 사용하는 경우 가열에 필요한 시간은 얼마나 차이가 발생할까요? 단 배관구경은 스팀을 2,000 kg/h까지 공급할 수 있고 보일러에서 스팀 공급량에도 문제가 없다고 가정합니다.
답은 ‘거의 차이가 없다’입니다. 따라서 스팀을 직접 분사하여 제품을 가열하고 응축된 수분이 제품에 흡수되는 이 공정의 경우에는 습증기가 제품 가열 자체에는 영향을 주지 않는다고 할 수 있습니다.

 

         

​기수분리기를 설치하여 얻는 효과 정리 ? !!

​

기수분리기를 사용하면 다음과 같은 효과를 볼 수 있습니다.

1) 양질의 증기 공급

​2) 열전달 효과의 향상

​3) 에너지 이용 효율 향상

​4) 생산성의 향상

​5) 제품 불량율 감소

6) 감압밸브에서의 문제 발생 감소

7) 기기 및 트랩 내부의 오염 감소

8) 정비비의 절감

9) 보일러 캐리오버의 영향에서 보호

10) 설비 및 공정의 신속한 예열

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