난방 (온수, 복사, 증기)

[이티™]

온수난방 [溫水暖房, hot-water heating]  - 현열을 이용한 난방이므로 증기난방에 비해 쾌감도가 높다

온수를 열매(熱媒)로 한 난방으로, 한국에서는 강제순환식인 2관방식(二管方式)이 가장 많이 사용되는데, 실온이 급변하지 않는 등의 이점이 있으나 예열(豫熱)에 시간이 소요되어 연료소비량이 많아지는 문제가 있다. 

온풍난방과 같이 중앙난방의 한 방식이다. 보일러에서 열원인 물 ·증기를 대열(帶熱)시켜 이것을 실내의 방열기(放熱器)에 보내어 난방시킨다. 방열기를 돌아온 물 ·증기는 다시 대열되어 난방기구(暖房機構)를 순환한다. 보통 80 ℃의 온수를 사용하나 지역난방과 같은 대규모의 경우는 100 ℃ 이상 고압의 고온수를 사용한다.

한국에서는 강제순환식인 2관방식(二管方式)이 가장 많이 사용되고, 자연순환식이나 1관식(一管式)은 잘 쓰이지 않는다. 온수온도를 중앙에서 제어하고 방열기에서 방열량을 제어할 수 있으며, 보일러의 연소를 정지하여도 여열(餘熱)이 남기 때문에 실온이 급변하지 않는 등의 장점이 있다. 그러나 장치의 열용량이 크기 때문에 예열(豫熱)에 시간이 소요되며 연료소비량이 많아진다.

복사난방 [輻射煖房, radiant heating]  - 방열기가 필요치 않으며 바닥면의 이용도가 높다.

특수한 방열면(放熱面)으로부터의 열복사를 이용하는 난방법을 말하는데, 실온이 낮아도 난방효과 있고, 쾌적한 환경을 만들 수 있으며 천장이 높은 방의 난방이 가능한 것이 특징이다.

증기난방이나 온수난방장치를 한 방의 벽·바닥·천장 등의 표면온도는 실내기온보다 낮으므로 재실자(在室者)의 피부나 의복의 표면에서 복사에 의해 열이 방산된다. 실내의 주벽의 표면온도를 높이면 재실자의 복사방열량이 줄어들기 때문에 실온을 다소 내려도 좋은 온감(溫感)을 얻을 수 있다. 보통 난방법을 복사난방법에 대응해서 대류난방이라 한다.

복사난방의 특징은 ① 인체의 표면이 방열면에서 직접 열복사를 받는다. ② 실온이 낮아도 난방효과가 있다. ③ 열복사는 상당히 높은 천장에서 바닥까지 도달하므로 보통 난방으로는 거의 불가능한 천장이 높은 방의 난방이 가능하다. ④ 복사난방은 높이에 따른 실온의 변화가 적으므로 보통 난방일 경우에 나타나는 두열족한(頭熱足寒)의 결점이 없고, 바닥복사난방일 때는 두한족열(頭寒足熱)의 인체보온 원칙에 합당하므로 쾌적한 환경을 만들 수 있는 점 등이다.

복사난방에는 구조복사난방과 고온 패널식 복사난방의 두 가지가 있다.

① 구조복사난방: 바닥·벽·천장 등 건물구조체 내부에 온수관 등을 매입해서 넓은 저온도의 방열면을 구성하는 방식인데, 열용량이 대단히 커서 예열시간이 길고 관성이 크므로 외기온(外氣溫)의 변화에 적절히 대처하기 어렵다.

② 고온 패널식: 복사난방 천장면에 반사판이 달린 전열기·가스방열기 또는 증기 패널 등 고온의 방열기를 설치하는 방식인데, 천장이 특히 높은 방에 적합하다. 장치 자체의 열용량이 적고 방열기에 열매(熱媒)를 통하면 실내공기가 더워지기 전에 열복사에 의한 난방효과를 나타낼 수 있는 것이 특징이다.

증기난방 - 중앙난방방식 중 방열체를 직접실내에 설치하여 적정 실내온도를 유지시키는 직접난방방식으로서 증기를 열매로 이용하는 난방방식이다.

방열형식은 주로 대류나 복사에 의해 이루어지고 방열체로는 라디에터, 베이스콘벡터, 핀콘벡터 등이 사용된다.

 증기의 성질

1) 증기의 열매조건

① 보유열량, 열용량

증기는 온수에 비해 단위중량당 보유열량이 많다. 방열기에 의해 난방 할 경우 100℃의 포화증기 1㎏은 증기 잠열만 이용한다고 해도 약 539㎉의 열량을 보유하고 있는데 비해 100℃의 온수 1㎏은 방역기 입출구 온도차를 20℃로 유지시킬 경우에도 20㎉ 정도의 열량만 보유하고 있다. 그러므로 동일한 열량을 공급하기 위해서는 적은 양의 증기를 공급해도 가능하며 따라서 장치의 열용량이 적고 예열에 필요한 시간도 짧다.

② 열방출 특성

증기는 잠열을 방출하는 동안 동일한 온도에서 방열하므로 균일한 방열이 이루어지는데 비하여, 온수는 온수온도차에 의한 현열을 방출하므로 방열기 입·출구 부분의 방열량이 다르다.

③ 열매의 공급

증기는 자체압력에 의해 공급되며 공급력은 압력에 따라 달라진다.

④ 열손실

증기는 응축수 및 재증발증기로부터의 열손실이 많다.

2) 포화증기

① 압력과 온도

물을 일정 압력하에서 가열하게 되면 일정 온도까지 상승한 뒤 계속 열을 가해도 전부 증발되기 직전까지는 온도가 상승하지 않는다. 이때의 온도를 포화온도라 하고 포화온도 상태의 물을 포화수라 한다. 또한, 포화수가 증발을 시작하여 완전히 증발될 때까지 증발된 증기의 온도 역시 포화온도 상태에 있고, 이러한 포화온도 상태의 증기를 포화증기라 한다. 포화증기의 포화온도는 특정압력하에서 항상 일정한 값을 갖지만 압력에 따라 변하며 압력이 상승하면 같이 상승한다.

② 압력과 비체적

포화증기 단위중량이 차지하는 체적을 비체적이라 하며, 증기압력에 따라 변화한다. 즉 압력이 증가할수록 비체적은 감소한다. 압력과 비체적은 증기나 응축수의 배관관경을 선정할 때 중요한 요소가 된다.

③ 현열, 잠열, 전열

포화온도에서 포화수가 갖고 있는 열을 현열이라 하고, 동일한 포화온도 상태의 증기로 완전히 증발시키는데 필요한 열을 증발잠열 또는 잠열이라 하며, 포화증기가 갖고 있는 현열과 잠열의 합을 전열이라 한다. 현열량, 잠열량, 전열량은 압력에 따라 값이 다르며 포화증기표에서 보는 바와 같이 압력이 상승하게 되면 현열 및 전열은 증가하지만 잠열은 감소한다.

계기압력(㎏/㎠·g)	절대압력(㎏/㎠·a)	포화온도 (℃)	비체적(㎥/㎏)	현열량 (㎉/㎏)	잠열량 (㎉/㎏)	전열 (㎉/㎏)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8	1.03323 1.233 1.433 1.633 1.833 2.033 2.233 2.433 2.633 2.833	100.00 105.03 109.43 113.35 116.89 120.13 122.12 125.90 128.50 130.94	1.67300 1.41782 1.23208 1.09031 0.978472 0.898089 0.813309 0.750532 0.697014 0.650714	100.092 105.165 109.605 113.570 117.160 120.445 122.480 126.309 128.953 131.445	539.06 535.84 532.99 530.43 528.07 525.90 523.89 521.99 520.20 518.49	639.15 641.01 642.60 644.00 645.23 646.35 647.37 648.30 649.15 649.94
2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8	3.033 3.233 3.433 3.633 3.833 4.033 4.233 4.433 4.633 4.833	133.25 135.43 137.52 139.50 141.40 143.22 144.97 146.65 148.27 149.74	0.610505 0.575018 0.543509 0.515363 0.497958 0.467181 0.446364 0.427441 0.410054 0.395008	133.796 136.031 138.159 140.191 142.136 144.005 145.804 147.537 149.205 150.721	516.88 515.34 513.86 512.44 511.06 509.74 508.47 507.23 506.02 504.93	650.68 651.37 652.02 652.63 653.20 653.75 654.27 654.76 655.23 655.65
4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8	5.033 5.233 5.433 5.633 5.833 6.033 6.233 6.433 6.633 6.833	151.36 152.83 154.25 155.64 156.78 158.29 159.57 160.81 162.02 163.03	0.381516 0.371376 0.352924 0.341075 0.330014 0.319704 0.309995 0.300870 0.292292 0.285364	152.386 153.268 155.377 156.810 158.203 159.559 160.882 162.174 163.433 164.483	503.71 503.07 501.52 500.47 499.44 498.43 497.44 496.47 495.52 494.72	656.10 656.34 656.90 657.28 657.64 657.99 658.32 658.64 658.95 659.20
6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8	7.033 7.233 7.433 7.633 7.833 8.033 8.233 8.433 8.633 8.833	164.19 165.32 166.43 167.52 168.79 169.78 170.80 171.80 172.79 173.74	0.277617 0.269269 0.262423 0.256847 0.249380 0.243796 0.238170 0.232802 0.227622 0.222773	165.695 166.873 168.031 169.165 170.497 171.526 172.592 173.639 174.678 175.677	493.80 492.90 492.02 491.14 490.12 489.32 488.50 487.68 486.86 486.07	695.50 695.77 660.05 660.31 660.62 660.85 661.09 661.32 661.54 661.75
8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8	9.033 9.233 9.433 9.633 9.833 10.033 10.233 10.433 10.633 10.833	174.69 175.61 176.53 177.43 178.31 179.18 180.04 180.88 181.71 182.53	0.218080 0.213588 0.209278 0.205135 0.201158 0.197334 0.193740 0.190104 0.187791 0.183393	176.671 177.647 178.607 179.554 180.485 181.401 182.307 183.196 184.074 184.940	485.29 484.52 483.76 483.01 482.26 481.77 480.80 480.08 479.38 478.67	661.95 662.17 662.37 662.56 662.75 662.93 663.11 663.28 663.45 663.61
10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0	11.033 11.233 11.433 11.633 11.833 12.033	183.33 184.13 184.92 185.69 186.45 187.20	0.180218 0.177150 0.174177 0.171598 0.168537 0.165853	185.793 186.635 187.476 188.288 189.898 189.897	477.98 477.28 476.60 475.93 475.26 474.60	663.77 663.92 664.07 664.22 664.36 664.50

[표] 포화 증기표

3) 증기의 질

증기는 건증기와 습증기로 구분된다. 건증기는 수분이 전혀 없는 포화온도 상태의 증기이며, 수분입자가 혼합되어 있는 포화온도 상태의 증기를 습증기라 한다. 포화증기표의 수치는 모두 건증기 상태를 기준한 값으로서 보일러로 부터 공급되는 증기를 완전한 건증기 상태로 나타낸 값이다.그러나 실제적으로서는 보일러에서 이송되는 수분과 방열에의해 응축되는 응축수에 의해 대부분 습증기 상태로 공급된다.

3. 증기 난방의 분류

1) 사용 증기 압력에 의한 분류

사용 압력 범위에 따라 고압식, 저압식, Vapor식, 진공식 등으로 구분할 수 있으나, 압력의 고 저압에 대해서는 확실한 구분이 없다. 고압식은 배관을 가늘게 할 수 있으나 방열면 온도가 높기 때문에 취기와 불쾌감이 크다. 일반적으로 안전과 쾌감측면에서 저압식이 주로 많이 채택되고 있다. 단, 대규모 설비에서는 보일러에서 고압증기를 발생시켜 배관 도중에 감압해서 저압식으로 하는 경우가 많다. 진공식은 방열기내의 압력을 조절할 수 있는 이점이 있으나 운전 등에 어려움이 있다.

분    류	상   용  압  력  범  위
고 압 식	1∼3㎏/㎠·g 정도의 증기
저 압 식	0.1∼0.5 ㎏/㎠·g 정도의 증기
Vapor식	진공압∼0.2㎏/㎠·g 정도의 증기 (진공 펌프가 없는 경우)
진 공 식	진공 200㎜Hg∼0.2㎏/㎠·g 정도의 증기 (진공 펌프가 있는 경우)

[표] 사용 증기압력에 의한 분류

2) 배관방식에 의한 분류

방열기로 연결되는 증기관 및 응축수관을 동일 또는 별개로 설치하느냐에 따라 단관식, 복관식으로 분류한다.

① 단관식은 증기트랩을 설치하지않고 방열기밸브의 개폐조작에 의해 방열량을 조절한다. 이 방식은 소규모건물에 채용되나 국내에서는 거의 채택하지 않고 있다.

② 복관식은 방열기마다 증기트랩을 설치하여 증기가 응축수관으로 유입되는 것을 방지하고 응축수만 통과시키도록 하는 방식으로 국내에서는 주로 이 방식을 채택하고 있다. 또한, 배관방식으로는 입상관내의 증기흐름 방향에 따라 상향공급식과 하향공급식으로 분류하는 경우도 있다.

3) 응축수 환수방식에 의한 분류

① 중력환수식

방열기로부터 배출된 응축수를 회수하는 응축수 환수관에 1/100정도의 자연 구배를 주어 보일러로 직접 환수하거나, 보일러실에 위치한 응축수 탱크(또는 급수탱크)로 환수하는 방식이다.

② 진공환수식

환수주관의 말단부에 -250㎜Hg정도로 운전되는 진공펌프를 연결하고 증기트랩이후의 환수관내의 압력을 진공으로 만들어 응축수를 강제적으로 신속하게 환수하는 방식이다. 따라서, 배관구경을 작게할 수 있으며 경사도가 적어도 되고 리프트 피팅을 사용할 수 도 있다. 이러한 몇가지 이점 때문에 국내에서도 일부 사용되기는 하나 별도의 진공펌프를 설치하여야 하며, 운전등에 어려움이 있어 갈수록 사용처가 줄고 있다.

4. 증기난방의 설계

1) 증기난방 시스템

① 증기난방 시스템 계획

증기난방을 계획할 경우 방열체의 효율적인 선택과 배치는 물론 각 방열체가 요구하는 적정 압력의 증기를 신속하고 균일하게 연속적으로 공급할 수 있도록 증기 공급계통, 응축수 환수계통, 보일러 급수계통 전반의 증기배관시스템을 구성하고 증기공급을 저해하고 방열효율을 저하시키는 공기의 배출방법, 양질의 증기를 공급하기 위한 보일러 급수의 수처리 시스템 및 배관의 단열계획, 응축수를 효율적으로 배출하기위한 스팀트랩의 선정, 배관의 적절한 구배등을 종합적으로 고려하여야한다.

② 방열기의 선택과 배치

난방부하를 고려하여 적정한 방열면적을 가진 방열기를 선택하여야 하는 것은 필수적이며 방열기의 배치는 열효율에 중대한 영향을 미치므로 주의하여야 한다.

방열기의 형식은 실내장식과의 조화를 고려하여 선택되는 경우가 많은데 무엇보다도 열효율이 좋은 방열기의 선정이 중요하며 반드시 방열성능, 설치방법, 열매사용조건등을 충분하게 검토하여 결정을 하여야 한다. 방열기는 건물의 벽측 창아래에 설치하여 실내에 차가운 공기가 유입되지 않도록 하며 실내 안쪽이나 천장에 설치하게 되면 난방효과가 불량하게 된다.

③ 증기 공급 압력

증기는 압력이 낮을수록 난방에 주로 이용되는 잠열이 많아 증기 사용량을 줄일수 있고, 응축수의 현열도 적기 때문에 열손실을 줄일수 있다.압력이 높을 경우 응축수 재증발에 의한 열손실이 증가한다. 그러므로 증기의 압력은 증기사용설비에서 요구하는 적정 온도조건을 충족할 수 있도록 선정되어야 하며 이때 보일러의 운전압력은 배관손실등을 고려한 설비요구온도를 충족할 수 있는 증기압력보다 높아야 하며, 보일러 정격압력의 고압증기를 그대로 공급하고 기기 바로 직전에서 감압하여 일정한 압력을 공급할 수 있도록 하는 것이 좋다.

구       분	설비요구온도	증 기 온 도	증 기 압 력
직 접 난 방	15∼25 ℃	105∼110℃	0.3∼0.5㎏/㎠
간 접 난 방	15∼25 ℃	105℃ 이상	0.5∼0.2㎏/㎠
온수열교환기	60∼80 ℃	110℃ 이상	0.5∼0.2㎏/㎠
열 풍 히 터	110∼130℃	150∼160℃	3.5㎏/㎠이상

[표] 증기압력 선택의 예

④ 공기의 제거

간헐운전시 증기의 공급을 중단했다가 재공급할 경우 배관내에 체류한 공기는 원활한 증기의 공급을 저해하고 포화증기온도를 떨어뜨리며, 방열기등에 공기가 정체될 경우 방열량이 현저하게 감소된다. 그러므로 신속하고 효율적인 공기의 제거방법이 고려되어야 한다. 공기의 제거방법으로는 증기 공급관에 온도조절식 엘레멘트가 내장된 증기용 자동 공기빼기 밸브를 설치하여 증기의 자체압으로 공기를 밀어내는 방법과 응축수 배관에 진공펌프를 사용하여 공기를 강제적으로 뽑아내는 방법이 있다.

⑤ 배관의 구배

증기는 증기 배관을 통하여 공급되는 동안 열손실등에 의해 일부 증기가 응축되어 증기와 응축수가 동일배관내를 흐르게 되며 흐름 방향이 같은 순구배 배관에서는 구배와 증기 속도가 적당하면 스팀 햄머가 발생하지 않지만, 상향수직관이나 역구배 수평주관과 같이 흐름 방향이 다른 경우 증기속도가 제한치를 넘어 응축수의 흐름을 방해하게 되면 스팀 햄머가 발생한다.

관       경   (A)	20	25	32	40	50	65	80	100
역 구 배 관 경	6.6	7.5	8.7	9.0	8.7
복관식 상향 입상관	9.1	10.3	12.2	13.5	16.0	18.3	19.2	21.9
단관식 상향 입상관	8.2	9.4	11.0	11.4	12.0	12.2	12.2	12.2

[표] 증기 관내의 제한속도(m/s)

⑥ 방열량 표시방법

방열기의 방열량 표시법으로는 매시방열량을 ㎉/h로 표시하는 방법과 상당방열면적(E.D.R)㎡로 표시하는 방법이 있다. 상당방열면적이란 실내온도 및 열매온도가 표준상태일때 표준방열량을 qo(㎉/m·h), 전방열량을 q(㎉/h)라하면

상당방열면적(E.D.R)= q/qo (㎡)

구  분	표준방열기 (㎉/㎡·h)	표준상태에서의 온도
		열매온도	실내온도
증 기	650	102℃	18.5℃
온 수	450	85℃	18.5℃

[표] 표준방열량

2) 증기배관의 관경결정

(1) 마찰저항

① 직 관

건증기 또는 증기내의 소량의 물이 동일방향으로 흐를 경우 마찰저항은 다음의 Darcy-Weisbach의 식에 의해 계산된다.

       ℓ   v²
R = f -- x -- r
          ｄ   2g

여기서, R : 관장 1m 당의 마찰저항 [㎏/㎡]

f : 관의 마찰계수

ℓ: 직관의 길이 [m]

ｄ: 관의 내경 [m]

v: 관내 평균유속 [m/s]

r: 증기의 비중량 [㎏/㎥]

g : 중력 가속도 [9.8m/s]

마찰계수는 레이놀즈수와 관내면 상대조도와의 함수이고, 무디(Moody)

의 마찰계수선도로부터 구할 수 있다. 관의 절대조도는 일반적으로 사용하는 강관에서는 0.05㎜ 정도이다.

② 국부저항

배관중의 엘보, 티 등의 배관 이음쇠나 밸브등의 저항을 국부저항이라 하며, 이것을 직관의 상당장으로 표현하면 편리하다. 여기서 상당장은, 마찰저항을 갖는 동일관경 직관의 길이로 표시한 것이다.

관경(A) 종류	15	20	25	32	40	50	65	80	90	100	125	150	200	250	300	350
엘  보	0.4	0.55	0.67	0.91	1.07	1.31	1.52	1.98	2.4	2.7	3.4	4.0	5.2	6.4	8.2	9.1
티	0.91	1.2	1.5	1.8	2.1	2.4	3.4	4.0	4.6	5.5	6.7	8.2	10.7	13.7	16.2	19.2
게이트밸브	0.09	0.12	0.15	0.18	0.24	0.3	0.34	0.43	0.49	0.58	0.67	0.85	1.13	1.4	1.68	1.95
글로브밸브	4.3	5.5	7.0	8.8	10.4	14.0	16.5	20	24	28	34	41	55	70	82	94
앵글밸브	2.1	3.0	3.7	4.6	5.5	6.7	8.2	10.4	12.2	13.7	17.1	20.4	28	34	40	46

[표] 국부저항의 상당길이

(2) 허용 압력강하

증기배관의 설계에 있어서 배관계의 전 압력강하는 보일러의 초기증기압력과 최대상당장을 갖는 기기에 이르는 허용 압력강하를 고려하여 관경을 결정해야 하며, 설계시 유의사항을 정리하면 다음과 같다.

① 전 압력강하가 초기증기압력을 넘지 않을것. 실용적으로는 초기증기 압력의 1/2을 넘지않도록 하고, 1/3 정도의 값을 사용하여 설계한다.

② 과대한 증기속도가 되는 큰 압력강하값를 선택하지 않을것.

③ 중력환수식의 경우 압력강하가 커져서 환수주관내의 응축수 수위가 증기주관·방열기 등의 높이에 달하지 않을것.

계기 압력이 2㎏/㎠ 이상의 경우에는, 속도법으로 증기관의 관경을 결정하는 경우도 있다.

초기증기압력	관장 100m당 압력강하 [(㎏f/㎠)/100m]	증기관내전압력강하 [㎏f/㎠]
진공환수식 0 0.07 0.15 0.35 0.7 1.0 2.0 3.5 7 10	0.03~0.16 0.007 0.03 0.03 0.06 0.12 0.23 0.5 0.5~1.2 0.5~1.2 0.5~2.3	0.07~0.14 0.005 0.005~0.02 0.04 0.1 0.2 0.3 0.35~0.7 0.7~1.0 1.0~1.75 1.75~2.0

[표] 증기관내의 압력강하

(3) 제한속도

증기배관의 설계에 있어서는, 응축수의 양과 흐름의 방향에 유의하여야 한다. 응축수의 양이 많고, 증기와 응축수가 동일방향으로 흐르는 경우 제한속도는 ASHRAE에 따르면 40∼60m/s 정도이고 최대 75m/s 정도까지로 기술되어 있다. 그러나 증기배관의 관경을 선정하기 위한 유속 기준은 일반적으로 25∼40m/s로 하고 보일러와 연결되는 배관의 경우는 캐리오버(carry over)현상방지를 위하여 15m/s 이하로 하는 것이 좋다. 증기와 응축수가 역방향으로 흐를 경우에 증기속도가 어떤 제한치를 초과하면 응축수의 흐름이 저해되고 워터햄머를 일으키기도 한다.

(4)저압증기관의 용량과 관경 결정

압력강하 [(㎏f/㎠)/100m]	0.014		0.03		0.06		0.11		0.17		0.23		0.46
포화압력[㎏f/㎠] 관경	0.25	0.84	0.25	0.84	0.25	0.84	0.25	0.84	0.25	0.84	0.25	0.84	0.25	0.84
20	4	5	6	7	9	11	13	16	16	20	19	23	27	33
25	8	10	12	14	17	21	24	30	31	37	37	43	52	62
32	16	20	24	30	35	44	50	63	64	77	73	91	105	127
40	25	32	38	45	54	67	79	95	99	118	112	138	163	195
50	49	61	73	88	106	129	152	186	191	231	218	268	322	386
65	79	98	117	141	171	209	245	299	308	372	354	431	522	621
80	144	172	141	171	209	367	435	526	540	649	626	758	885	1090
100	290	363	431	526	640	767	898	1090	1110	1360	1540	1570	1910	2220
125	544	649	762	953	1110	1360	1620	1930	1990	2380	2310	2770	3400	3900
150	871	1040	1280	1520	1800	2200	2590	2590	3180	3900	3810	4540	5400	6440
200	1770	2180	2530	3180	3670	4540	5170	6490	6580	8030	7480	9300	10900	14400
250	3270	3990	4630	5720	6800	8260	9530	11800	11900	14500	13600	16800	19400	23600
300	5170	6210	7480	8850	10600	12900	15000	18100	18600	22500	21800	26100	30800	36700

[표] 저압 증기관의 용량(순구배)

5. 배관방법

1) 배관재료

상용압력 10㎏/㎠ 까지는 배관용 탄소강강관(KSD3507,SPP)이 주로 사용되며 그 이상의 경우에는 압력배관용 탄소강강관(KSD 3562)이 사용된다. 환수관은 증기관보다 관내부식이 크므로 내식성 배관재를 사용하는 경우도 있다. 강관용 이음쇠는 상용압력 10㎏/㎠이하의 관경 50㎜ 이하일 경우에 나사식으로 사용하기도 하나 그 이외에는 주로 용접 시공한다.

2) 배관일반

① 증기관과 환수관의 수평주관에 있어서는 증기와 응축수가 원활히 흐르도록 적절한 구배로 배관한다. 역구배 증기관에서는 응축수가 증기의 흐름과 반대로 흐르므로 응축수를 원활히 배출하기 위하여는 기울기를 크게한다. 다음 [표]에 배관의 기울기를 나타냈다. 지관의 기울기는 주관의 신축에 의하여 기울기가 변화될 수 있으므로, 흐름에 지장이 없도록 충분한 기울기를 주도록 한다.

종    류	기 울 기 방 향	기 울 기
증 기 관	순 구 배	1/250 이상
	역 구 배	1/50 이상
환 수 관	순 구 배	1/250 이상

[표] 증기난방배관의 기울기

② 증기주관과 지관의 연결

모든 증기주관의 지관은 반드시 증기주관의 상부에 연결하여 건증기가 증기지관에 공급될 수 있도록 한다.

③ 증기주관의 응축수 제거

증기수평주관의 경우에는 30∼50m마다, 팽창루프등과 같이 상승하는 배관에서는 하부에, 그리고 증기주관 관말에는 반드시 드레인포켓과 증기트랩을 설치하여 응축수를 효과적으로 제거한다. 특히, 기둥밑을 통과하는 경우에는 응축수의 양이 적을 것으로 생각하여 이 부분의 응축수 제거를 무시할 수 있으나, 시간이 경과하면 응축수가 쌓여 배관으로 넘어가면서 소음과 부속류 부식의 원인이 되므로 반드시 드레인포켓을 설치하여 응축수를 제거한다.

④ 역구배 증기주관의 응축수 제거

역구배의 경사로 상승되는 증기주관에서는 주관내에서 역류하는 응축수에 의해 워터햄머의 발생가능성이 많으므로 증기의 유속을 15m/s 이하로 낮추어 설계하며, 응축수 제거를 위해 간격을 좁혀 (약 15∼20m 간격) 설치한다.

⑤ 드레인포켓의 적정규격

드레인포켓에서 응축수를 효율적으로 제거하기 위해서는 포켓의 구경을 배관구경과 동일구경의 티를 사용하며 포켓의 길이는 적어도 30∼70㎝ 이상이 되도록 한다.

증기트랩을 포켓의 측면에 연결하는 경우 바닥에서 약간 위에 연결하여 그 아랫 부분이 오물포켓으로서 역할을 하도록 하고, 하부에는 프러그 또는 드레인 밸브를 달아 주기적으로 청소를 할 수 있도록 한다.

증기주관에서 증기공급이 중단된 경우 포켓에 고인 응축수가 중력에 의해서 배출되기 위해서는 적어도 70㎝ 이상의 수두압이 필요하므로 간헐 운전이 되는 설비에서는 드레인포켓의 길이를 70㎝이상으로 배관하는 것이 바람직하며, 시동시 응축수를 제거하면서 운전하는 경우에는 다음 [표]의 값이 추천된다.

배관관경	포켓관경	포켓높이
50	50	20㎝
80	80	20㎝
100	100	30㎝
150	100	30㎝
200	150	30㎝
250	200	30㎝

[표] 배관 관경별 드레인포켓 규격(연속 운전의경우)

⑥ 증기주관 관말의 처리

증기주관의 관말에는 티를 사용하여 마감을 하며 하부에는 증기트랩, 상부에는 자동공기빼기밸브를 설치하여 예열시 공기를 신속하게 제거하도록 한다.

⑦ 관의 확대 및 축소

증기관을 확대 또는 축소하는 경우에는 동심 레듀서 대신에 편심 레듀서를 사용하여 증기관 부분에 흐르는 응축수가 자연스럽게 흘러갈 수 있도록 한다.

⑧ 배관의 구배

증기배관과 응축수 환수관을 수평으로 설치하는 경우에는 증기와 응축수가 원할하게 흐르기 위한 적절한 구배를 주어 배관하도록 한다.

역구배의 증기관에서는 응축수가 증기의 흐름에 역으로 흐르고 있기 때문에 응축수를 원할하게 배출하기 위하여 구배를 크게하거나 배관관경을 크게하여 증기속도를 충분하게 감소시키도록 한다.

⑨ 보일러의 주위배관

보일러에 연결되는 증기배관에서는 증기속도가 빠르지않게 하기위하여 충분하게 큰 관경을 선정하여 보일러수의 캐리오버를 줄이고 보일러 바로 다음에는 기수분리기를 설치하여 캐리오버되는 수분을 신속하게 제거할 수 있도록 한다.

보일러에 공급되는 급수배관은 보일러에 근접된 위치에 체크 밸브와 급수관의 관경을 0.5∼0.75m/s의 유속을 기준으로 선정한다.

블로우다운 배관관경은 법규로 정하고 있으나 블로우다운 밸브 또는 배관이 스케일 또는 침전물에 의해 막히지 않도록 밸브 입구에는 오물 포켓을 설치하며 보일러 1대당 1개씩 밸브를 단독으로 설치한다.

⑩ 방열기, 공기조화기의 주위배관

방열기나 공조기 히팅코일 주위배관은 관의 신축이나 응력을 흡수할 수 있도록 하며, 방열기나 히팅코일에서 증기가 공급되는 반대쪽 상부에 자동공기빼기밸브를 설치하여 히팅코일의 전체공간에 증기가 공급될 수 있도록 한다. 히팅코일이 여러개인 경우에는 각 코일별로 증기트랩과 자동공기빼기밸브를 설치하여 최대의 열효율을 낼 수 있도록 한다. 증기트랩이 공동 환수관에 연결되는 경우에는 트랩 뒤에 체크밸브를 설치한다.

⑪ 증기트랩의 주위배관

증기사용설비 주위배관은 응축수가 중력에 의해 자연스럽게 증기트랩 내부로 유입되도록 하며 증기트랩의 입구측에는 스트레이너를 설치한다. 다만, 트랩에 스트레이너가 내장된 경우에는 생략해도 된다.

트랩의 전후는 유니온 또는 플랜지접합으로 하여 증기트랩의 신속한 교체작업이 이루어질 수 있도록 하며, 점검 및 정비를 위한 충분한 공간을 확보하도록 한다.

⑫ 감압밸브 주위배관

감압밸브 설치시에는 압력변동에 따른 배관구경의 변화를 검토하여 감압전후 배관은 2차측 배관을 1차측 배관보다 크게한다. 보다 정밀한 2차측 압력 조절을 위한 2차 압력 검지관은 외부 검지관을 사용한다. 감압 밸브의 2차측에는 안전밸브를 설치하여 감압 밸브의 고장시 2차측을 보호하며, 안전 밸브는 감압 밸브의 용량을 모두 배출할 수 있도록 선정하는 것이 원칙이다.

⑬ 응축수 환수배관

응축수 환수관은 트랩을 통해 배출된 응축수가 자연스럽게 응축수 탱크로 모일수 있도록 하는 것이 가장 좋으며 환수관내에 과도한 배압이 형성되지 않도록 한다. 따라서 응축수관을 분리하여 설치하며, 특히 공조기 히팅 코일의 응축수관과 가습 장치의 응축수관은 함께 연결하지 않도록 한다.

응축수 환수 주관에 트랩 배출관을 연결할 때와 고가배관의 트랩 배출관이 상승하는 경우에는 반드시 응축수 환수 주관의 상부에 연결되도록 한다. 또한 응축수를 펌프로 이송하는 배관에 증기 트랩의 배출관을 연결하면 위터 햄머가 발생하여 배관파손 등의 원인이 될 수 있으므로 직접 연결되지 않도록 한다.

⑭ 고가배관 통한 응축수 회수

증기트랩에서 배출된 응축수는 자연스럽게 중력에 의하여 회수하는 것이 필수적이나 여건상 고가 배관을 통해 회수하여야 하는 경우, 증기 트랩의 형식에 관계 없이 트랩의 입구측 압력과 상승되는 배관의 높이에 의한 배압과의 차이에 의해 응축수가 회수될 수 있다. 그러나 증기 공급이 중단된 상태에서는 상승배관내에 응축수가 정체되어 있으므로 증기 공급이 재개되면 워터햄머가 심하게 발생하며 증기사용설비가 온도조절밸브에 의해 온도조절되는 경우에는 정상운전중에도 같은 문제가 발생된다. 따라서 증기트랩을 통해 배출된 응축수는 일단 중력으로 대기개방탱크에 모은 뒤 원심펌프를 통하여 환수한다. 이때 캐비테이션 문제가 발생되므로 이런 경우에는 캐비테이션 발생염려가 없는 대기개방 리시버가 부착된 펌핑트랩을 이용한다.

⑮ 배관의 신축에 대한 대책

냉각되었던 증기 및 응축수 환수관은 증기가 공급되면 팽창하고 공급이 중단되면 수축되므로 별도의 신축관이음(expansion joint) 또는 루프(loop)를 설치하여 관의 신축을 흡수한다.

분지관, 방열기 등에서는 보통 배관 작업시 스위블죠인트가 설치되므로 이곳에서 신축에 따른 변위를 흡수하고 있다. 주관에 신축관이음을 설치하는 경우에는 최대신축거리와 정상신축거리를 잘 검토하여 설치하도록 하며 공동구내에 설치시에는 인근에 점검구를 두어야 한다.

루프배관에 필요한 길이는 다음 식에 의해 구할 수 있다.

(16) 증기배관 보온

모든 증기배관은 반드시 보온을 하며 방열기 자체와 증기 트랩, 증기트랩전의 냉각관등을 제외한 플랜지, 밸브 등의 부속류들도 모두 보온한다. 특히, 실내에 노출되어 있는 난방배관은 보온을 하지않는 경우가 많으나, 이는 예열시 및 정상운전중에도 다량의 증기가 이송중에 냉각됨으로서 워터햄머의 원인이 되고 정상운전중에는 100℃이상의 배관이 노출되어 안전사고의 원인이 되므로 반드시 보온을 하며, 실내난방은 난방전용 기기인 방열기에 의해서만 이루어지도록 한다.

(17) 응축수 환수관의 보온

모든 응축수환수관은 응축수가 보유하고 있는 열량을 최대한 회수한다는 측면에서 보온하는것을 원칙으로 하며, 특히 저압증기난방의 경우에는 반드시 필요하다.

저압증기난방의 경우 방열기용 증기트랩의 응축수 배출온도는 90∼100℃정도이므로 증기트랩이 정상작동하면 응축수탱크에서의 재증발 증기는 거의 없다.

(18) 신설배관의 수압시험 및 배관청소

배관을 신설하면 반드시 최고사용압력의 1.5∼2.0배 이상의 압력으로 수압시험을 하여 모든 연결부위의 누설여부를 확인한다.

수압 시험시에는 감압밸브, 스팀트랩 등 일부 수압시험을 견딜 수 없는 구조 또는 작동원리를 가진 기기는 제거한후 실시한다. 또한 신설 배관내에는 항상 용접찌꺼기, 모래가루, 흙먼지, 녹등이 들어 있으므로 청소를 충분하게 하지않은 상태에서 증기를 공급하면 배관내의 주요기기, 즉 감압밸브, 온도조절밸브, 유량계, 방열기 증기트랩 및 기타 열사용 설비 등 거의 모든 부품들이 무방비 상태에서 손상을 입게되므로 반드시 배관 내부를 청소하여야 한다.

(19) 동결 방지

증기히팅코일이 외기를 가열하여 난방을 하는 경우에는 부하변동에 따라 정상운전중에도 코일의 동파가 발생될 수 있으므로 증기트랩 입구배관에 동파 방지용 온도센서를 설치하여 송풍기용 전동기와 외기댐퍼를 제어하도록 한다.

6. 난방설비용 부속기기류

1) 증기트랩

증기트랩은 증기를 사용하는 방열기, 히팅코일등의 가열기기 및 증기배관내에서 발생한 응축수를 증기와 분리하여 응축수만 배출하고 잠열을 보유하고 있는 증기의 유출을 방지하는 장치이다. 동시에 증기시스템내에서 예열을 방해하는 공기등 비응축성가스도 자동적으로 배출시키는 기능도 갖추고 있다. 증기트랩의 기능에 문제가 발생하여 응축수가 배출되지 않으면 설비의 운전효율에 큰 장해가 되며, 반대로 증기가 누출되면 막대한 에너지손실을 가져오게된다. 따라서 증기트랩의 선정시에는 우선 설비의 운전조건등을 고려하여 적정 타입의 증기트랩을 결정한뒤 설비의 열용량을 기준으로 충분한 응축수 배출능력을 가지고 있는 구경을 선정하여야 한다. 또한 평상시의 점검이나 고장이 생길 경우의 보수를 위하여 설비공간의 여유가 필요하며 부득이하게 파이프 샤프트등 밀페된 공간에 설치될 경우에는 건축설계시 점검구를 반드시 반영하여야 하다.

(1) 증기트랩의 종류

증기트랩은 작동원리에 의하여 표4와 같이 세 가지 형식으로 분류된다.

구      분	종               류
기 계 식 (Mechanical steam trap)	플로트 트랩 (Float trap) 버킷 트랩 (Bucket trap)
온 도 조 절 식 (Thermostatic steam trap)	벨로우즈식트랩 (Bellows trap) 다이아후렘식트랩 (Diaphragm trap) 써모왁스식트랩 (Thermo wax trap) 바이메탈식트랩 (Bimetallic trap)
열 역 학 식 (Thermodynamic steam trap)	디스크 트랩 (Disk trap)

[표] 증기트랩의 종류

① 기계식 트랩

증기와 응축수의 밀도차에 따른 부력차를 이용하여 작동되는 방식 으로 응축수의 생성과 동시에 배출된다.

② 온도조절식 트랩

증기와 응축수의 온도차이를 이용하여 응축수를 배출하는 방식으로 응축수가 냉각되어 증기의 포화온도보다 낮은 온도에서 응축수의 현 열일부까지 이용할 수 있다.

③ 열역학식 트랩

온도조절식이나 기계식 트랩과는 별개의 작동원리를 갖고 있으며 증기와 응축수의 속도차, 즉 운동에너지의 차이를 이용하여 동작된다.

(2) 트랩의 구조와 작동원리

① 플로트 트랩

부력으로 작동하는 플로트밸브와 열동형 에어벤트를 설치한 것으로 응축수가 일정수위 이상으로 되면 플로트에 연결된 니들밸브가 열리 면서 응축수가 연속적으로 배출된다. 증기가 유입되면 플로트는 부력 을 잃고 가라앉아 밸브를 닫아 증기의 유출을 막는다.

플로트의 부력과 오리피스밸브의 폐쇄력에 의하여 오리피스의 직경 이 결정되며, 배출용량은 오리피스의 크기와 차압에 따라 변화한다. 트랩내의 플로트의 크기, 즉 부력의 크기가 결정되면 작동압력에 따라 오리피스 직경이 결정되므로 최대 작동압력보다 높은 압력이 걸리게 되면 응축수가 트랩에 유입되더라도 밸브가 열리지 않고 배출이 안 되므로 모델 선택시 작동압력을 확인하고 사용하여야 한다.

다량의 응축수를 처리하기 위한 구조로 되어 있는 것을 다량트랩이라 한다. 이 트랩의 플로트 자체만으로는 공기배출능력이 없으므로 트랩 의 위쪽에 설치된 에어벤트를 통하여 불필요한 공기를 제거한다.

사용압력은 10㎏/㎠까지이며 구경은 15A에서 80A정도까지 제작된다.

가. 장 점

다량 및 소량의 응축수를 모두 처리할 수 있다.

넓은 범위의 압력과 급격한 압력변화에도 잘 작동된다.

자동 에어벤트가 설치되어 있어 공기배출 능력이 뛰어나다.

나. 단 점

구조상 동결의 우려가 있는곳에는 적합하지 않다.

증기햄머에 의한 내부손상을 입을 수 있다.

증기압력에 따라 밸브의 오리피스경을 바꾸어야 한다.

② 버킷트랩

내부에 버킷이 있는 것으로 버킷의 형식에 따라 상향형과 하향형이 있다. 상향형은 다량의 응축수가 트랩에 유입하여 버킷의 둘레를 넘어 들어가면 버킷의 부력이 없어져 버킷에 연결된 스템에 의하여 상부의 밸브시트를 열고 증기의 압력으로 버킷의 바닥이 거의 빌 때까지 응축 수가 배출된다.

하향형은 역방향의 버킷이 지렛대에 의하여 작동된다. 응축수가 유입 되면 버킷내외로 물이 차오른다. 이때 버킷은 가라앉아 있으므로 밸브 가 열려 응축수가 배출된다. 증기가 유입되면 버킷이 부력을 받아 떠오르므로 밸브는 닫히게 된다. 다시 응축수가 유입되면 버킷내부의 증기를 밴트홀로 밀어내며 동시에 증기의 일부는 응축되어 버킷은 부 력을 잃게되어 가라앉으며, 지렛대를 당겨 밸브가 열리게 되면 응축수 가 배출된다. 이와 같은 작동이 반복되면서 응축수를 배출하게 된다.

응축수의 배출동작은 어느것이나 간헐적으로 이루어진다. 상향형에서 는 공기의 배출작용이 없으므로 열동식의 공기배출장치가 필요하게 되 나 하향형에서는 상부에 밸브시트가 있으므로 여기에 바이메탈 밸브를 설치하여 버킷 상부의 소공에서 유출한 공기만을 배출하게끔 하고 있 어 응축수에 이물질이 많은 경우에 적합하다.

버킷형은 그 작동상 0.1㎏/㎠ 이상의 유효압력차가 필요하며 배출시에 약간의 압력변동이 있으나 응축수를 높은 곳으로 밀어올릴 수 있다.

가. 장 점

견고하며 워터햄머에 강하다.

고압으로 비교적 다량의 응축수를 배출할 수 있다.

나. 단 점

공기배출이 조그만 벤트구멍을 통하여 이루어지므로 별도의 에어 벤트가 요구되기도 한다.

버킷하부에는 항상 물로 차있어야 하고 수실이 파괴되면 증기가 누 출하게 된다.

동파의 위험이 있다.

③ 벨로즈식 트랩

내부에 휘발성의 액체를 넣은 벨로즈가 있으며 온도에 의한 벨로즈의 신축으로 밸브를 개폐한다. 즉 온도가 높은 증기가 닿으면 팽창하여 닫히고 온도가 낮은 응축수 또는 공기가 접촉하면 수축하여 밸브가 열린다.

작동을 확실하게 하기 위하여는 트랩에 들어가는 응축수를 다소 냉각시킬 필요가 있으므로 60㎝ 이상의 냉각관을 설치하여 간헐작동 시킨다. 구경 15A에서 50A정도까지 제작되며 벨로즈 내압에 따라 저압용과 고압용이 있다.

가. 장 점

구조가 간단하고 소형이다.

동결의 위험이 적다.

나. 단 점

타형식보다 배출능력이 적다.

구조상 역류의 우려가 있다.

과열증기에는 적합하지 않다.

워터햄머에 약하다.

④ 다이아후렘식 트랩

벨로즈형의 결점인 워터햄머에 약한 점과 과열증기에 사용할 수 없는 점을 보완하기 위하여 개발된 것으로 캡슐형의 엘레멘트를 가지고 있으나 동작원리는 벨로즈형과 같다. 다이아후렘의 캡슐 엘레멘트는 외부에 두꺼운 스테인레스 강판으로 보호되어 있고 내부에는 스프링의 역할을 할 수 있는 얇은 스테인레스판, 즉 다이아후렘 2장이 외부판에 용접되어 있으며 이 다이아후렘과 외부의 보호판 사이에는 포화온도보다 약간 낮은 온도에서 증발하는 액체가 봉입되어 있다.

또한 다이아후렘의 중앙 상부에는 볼밸브가 용접되어 있다. 가동 초기에는 엘레멘트가 식어 있어 다이아후렘은 스프링 작용의 의하여 상부로 올라가 있어 밸브는 완전히 열려 있으므로 공기와 찬 응축수를 배출시킨다.

응축수의 온도가 점점 올라가 포화증기온도에 근접하게 되면 엘레멘트 내부의 액체도 열을 받아 증발하게 되어 내부압력이 상승한다. 이 압력으로 내부의 다이아후렘판이 내려가면서 볼밸브를 페쇄하게 된다. 이와 같은 사이클이 반복되면서 응축수가 배출된다. 엘레멘트 내부의 압력과 외부증기의 압력이 균형을 유지하며 작동하게 되므로 압력평형식 트랩이라고도 불린다.

가. 장 점

소형이며 가볍다.

구경에 비하여 다량의 응축수 배출능력이 있다.

공기배출능력이 뛰어나고 과열증기에 사용할 수 있다.

워터햄머에 잘 견딜 수 있다.

나. 단 점

응축수가 증기포화온도보다 낮은 온도에서 배출되므로 응축수의 정체가 있다.

⑤ 바이메탈식 트랩

바이메탈의 팽창되는 성질을 이용한 것으로 여러장의 바이메탈을 조합하여 제작한다. 가동초기에는 온도가 낮아 바이메탈은 평평한 상태이므로, 밸브가 열려 공기와 응축수가 유입되면 바이메탈은 만곡되어 밸브를 끌어올려 닫게 된다. 다시 응축수가 조절온도까지 냉각되면 엘레멘트는 수축하여 밸브가 다시 열리게 된다.

가. 장 점

소형이고 공기배출능력이 뛰어나다.

워터햄머에 강하다

응축수의 현열까지 이용할 수 있어 에너지 절약적이다.

나. 단 점

온도변화에 서서히 반응하므로 갑작스런 부하변동이나 압력변화에 대처능력이 작다.

응축수의 정체가 생긴다.

⑥ 디스크 트랩

디스크트랩은 디스크와 상부에 제어실을 가지고 있는 형태로 되어 있으며 증기와 응축수의 운동에너지와 압력의 변화, 제어실 내의 증기응축에 의한 압력변화를 이용한다. 디스크형은 저압에서 고압까지, 구경은 15A정도까지 제작된다.

이 트랩은 응축수가 많을 때는 연속배출을 하지만 그 이외에는 전형적인 간헐배출을 하므로 이용에 주의하여야 한다.

이 트랩의 동작원리는 가동초기에 응축수가 유입되면 디스크를 밀어 올리고 출구를 통하여 빠져나간다. 시스템이 가열됨에 따라 응축수의 온도가 상승하게 되고 초기에 낮았던 증기의 압력도 정상이 되면서 응축수가 빠르게 배출된다.

뜨거운 응축수가 트랩을 빠른 속도로 통과하여 동압이 증가하면 압력이 떨어져서 정압은 감소하게 되므로, 이 때 일부 응축수가 증발되어 재증발증기는 디스크 상부의 공간으로 유입된다.

응축수의 온도가 상승할수록 재증발증기의 발생량이 증가하며, 배출속도는 더욱 빨라지므로 디스크 하부의 압력은 더욱 감소하면서 디스크를 시트링으로 잡아당기게 된다. 이때 재증발증기의 압력이 부가되어 디스크는 시트링에 완전히 내려앉아 배출이 중단된다. 이 때 재증발증기의 압력은 디스크 전체에 힘을 가하게 되며 좁은 오리피스 면적을 통하여 디스크를 밀어올리는 증기압력에 대항하여 디스크를 누르게 된다.

디스크 상부의 제어실내에 있는 재증발증기가 상부 캡에서의 방열에 의하여 응축되면서 압력이 감소하고 디스크 하부에서의 압력에 밀리면서 디스크가 들어올려져 응축수를 다시 배출하게 된다.

가. 장 점

구조가 간단하고 소형이며 가볍다

구경에 비하여 응축수 배출용량이 크다.

고압 및 과열증기에도 사용할 수 있으며 워터햄머의 영향을 받지 않 는다.

나. 단 점

입구압력이 낮거나 배압이 높을 경우 원활하게 작동되지 않는다.

작동중에 소음이 있다.

외기온도가 너무 낮을 경우 디스크 상부캡에서의 방열이 증가하여 자주 작동되므로 수명이 단축되고 증기의 손실이 생길 수 있다.

(3) 트랩의 선정

증기트랩의 선정에 있어서 가장 중요한 것은 방열기기의 성능을 최대로 발휘할 수 있도록 하는 것으로 증기트랩의 작동원리를 이해하여 운전조건, 압력조건, 온도조건 등에 부합되는 형식을 선정한다. 증기사용설비에서 응축수가 발생하는 형태는 설비의 종류와 운전조건 및 부하조건 등에 따라 달라진다. 이에 따라 응축수의 배출형태도 다르므로 배출형태에 따른 배출성능이 적합한 트랩을 선정하여야 한다.

예를 들어 유니트히터의 응축수를 배출할때 열동식 트랩을 사용하면 응축수의 배출형태가 간헐적으로 되므로 유니트히터 내부의 증기공간에는 응축수가 정체된 순간과 증기가 유입되는 순간이 반복하게 된다.

따라서 유니트히터의 발생열량은 일정하지 못하여 문제가 될 수 있으며, 또한 코일은 증기 및 냉각된 응출수와 반복하여 접촉하게 되므로 열응력이 반복적으로 작용하여 코일이 파손되는 경우가 발생한다. 연속적인 배출형태를 갖는 플로트트랩을 사용하면 원활한 운전을 할 수 있게 된다.

표는 증기사용설비에 적합한 트랩을 보여준다.

설 비 의 종 류	제 1 선 택	제 2 선 택
증기주관의수평관	디스크트랩 버킷트랩	버킷트랩 디스크트랩
열 교 환 기	플로트트랩	버킷트랩
방열기, 콘벡타	벨로우즈, 다이아후렘트렙
휀콘벡타, 유니트히타	플로트트랩	버킷트랩
방열파이프 패널	플로트트랩	버킷트랩, 디스크트랩
온 수 탱 크	플로트트랩	버 킷 트 랩
저장탱크의 코일	버 킷 트 랩	디스크트랩

[표] 증기트랩의 선정

한편 증기트랩의 용량은 연속배출의 값으로 표시되어 있으므로 규격선정은 다음과 같은 내용을 검토하여 설계응축수량에 표에서 보여주는 안전계수를 고려한 값으로 배출용량을 결정하여 증기트랩이 적당한 간헐동작을 하도록 한다.

① 증기사용설비의 응축수 발생량과 발생형태

② 트랩입구의 압력과 출구 쪽의 배압

③ 설비의 운전상태에 따라 응축수의 부하가 변동되므로 최악의 조건에도 원할하게 배출도록 안전율을 고려한다.

장        치	안 전 계 수
증기주관(순구배)	3
증 기 입 상 관	2
감 압 변 앞	3
개 폐 밸 브 앞	3
휜 코 일	3
각 종 기 기	3

[표] 증기트랩의 안전계수

2) 리프트트랩

리프트트랩은 낮은 곳에 있는 응축수를 높은 곳으로 올리거나, 환수관에 응축수를 체류시키지 않고 중력으로 저압보일러로 돌아가게 할 때의 리턴트랩으로 사용된다.

트랩으로 들어오는 저압의 응축수에 의하여 버킷이나 플로트가 상승하여 최상부까지 도달하면 레버기구를 작동시켜 상향의 버킷트랩으로 트랩의 입구압력보다 높은 압력의 증기를 도입하고 이 고압증기의 압력을 이용하여 간헐적으로 응축수를 높은 곳으로 보낸다. 트랩의 전후에는 체크밸브을 설치하여 역류를 방지하도록 한다. 이 트랩은 진공식에서 고압까지 사용한다.

3) 공기빼기밸브

공기빼기 밸브는 방열기 및 배관중의 공기를 제거할 목적으로 사용되며, 액체(냉수, 온수)용과 증기용이 있고, 자동공기빼기밸브와 수동공기빼기밸브가 있다. 자동공기빼기밸브의 증기용은 몸통내 벨로즈가 작동하여 공기를 방출시키는 것이며, 액체용은 플로트(float)를 사용한 것이다. 수동공기빼기밸브는 니이들밸브(Needle Valve)를 키이(Key)에 의해 개폐시켜 공기를 방출하는 것으로 평균지름 1/4∼1/8B 정도의 소형의 것이 제작되고 있다.

방열기나 증기코일 및 배관내에 공기가 고이면 아래와 같은 여러 가지 장애를 일으키므로 시스템내에서 신속하게 제거하도록 한다.

증기나 응축수의 흐름을 방해한다.

장치내에 있는 공기가 열전달을 저하시켜 예열이 저하된다.

공기의 분압만큼 증기의 실질압력이 낮아져 증기의 온도가 내려간다.

방열기나 증기코일의 내벽면에 공기막을 형성하여 전열을 저해한다.

중력 환수식의 증기시스템에는 방열기나 배관말단 등 공기가 정체하는 곳에 공기빼기 밸브을 부착한다. 공기빼기밸브는 피콕크라는 수동식 외에 바이메탈식이나 열동식, 플로트식의 자동식이 있으며 물용 공기밸브와는 작동원리가 다르므로 교환사용이 불가능하다. 제품에 따라서는 진공역지밸브를 부착한 것이 있어 가동정지시에 관내가 진공이 되면 공기의 침입을 막아준다. 방열기에 설치할 때는 공기는 증기보다 무거우므로 증기입구와 반대쪽 아래에 붙이는 것이 좋지만 응축수가 밸브에 충만할 염려가 있으므로 방열기높이의 2/3 정도에 설치하는 것이 보통이다.

4) 감압밸브(Pressure Reducing Valve)

고압증기는 빌딩에서 열교환기, 급탕탱크 또는 흡수식 냉동기의 열원 등으로 이용되고, 지역난방이나 공장등에서도 종종 이용된다. 이 때 증기사용 기기까지는 고압증기로 공급하고 기기인근에서 필요압력으로 낮추어 사용하고자 할때 감압밸브를 이용한다. 증기배관계에서 감압을 한다는 것은 단순히 압력을 낮춘다는 의미 이외에 다음과 같은 필요성이 있다.

증기사용설비가 요구하는 압력조건, 즉 온도조건으로 운전하는 것이 에너지를 절약하는 방법이다. 즉, 증기의 압력이 낮을수록 잠열이 많 으므로 증기사용량이 절감된다.

증기의 질향상

2차측 저압증기에 비하여 비체적이 적으므로 배관경을 작게 할 수 있어 배관비용이 절감된다.

방열기기나 증기사용기기의 사용온도에 적합한 온도로 조절하는 수 단으로 이용

감압밸브에 요구되는 특성은 다음과 같다.

1차측 압력변동에 대하여 2차측 압력변동이 적을 것.

감압밸브가 닫혔을때 2차측으로서의 증기누설이 적을 것.

2차측 증기 소비량의 변화에 대한 응답속도가 빠르고, 최소 조정가능 유량 이상에 있어서 안정되며 압력변동이 적고, 헌팅현상(Hunting)이 일어나지 않는 것 등이다.

위의 특성에서 2차측 압력변동 값은 1차측의 압력변화 1㎏f/㎠당 0.2㎏/㎠이하로, 압력변화폭은 0.7㎏/㎠이하로, 닫혔을 때의 압력상승은 0.7㎏/㎠이하로, 누설증기량은 정격유량의 1％이하로 하며 STYLE="font-size:10pt;"> 감압밸브의 설치방법은 다음과 같다.

감압밸브는 가능한 사용개소에 가까운 곳에 설치한다.

감압밸브앞에는 반드시 스트레이너를 설치한다.

감압밸브에는 응축수를 제거한 증기가 들어오도록 한다.

감압밸브 전후의 배관경을 적정하게 선정한다.

바이패스는 수평 또는 위로 설치하고 감압밸브의 구경과 같은 구경 으로 한다.

5) 안전밸브(Safety Valve)

안전밸브는 디스크에 걸리는 정압에 따라 순간적으로 작동하는 기능을 가진 자동압력 도피장치를 말하며, 증기·공기·유(油)·물 및 가스등에 사용된다. 또 릴리이프밸브(Relief Valve)는 각종 압력용기 및 회로에 설치하여 일정한 압력으로 제어한다. 즉, 규정압력을 초과하는 경우 자동적으로 유체를 방출하고 압력이 저하하면 자동적으로 방출을 정지시키는 것이다.

(1) 종류 및 구분

① 양정(Lift)에 따른 분류

저양정 안전밸브(Ordinary Safety Valve) : 양정(Lift)이 밸브시이트 지름의 1/40이상, 1/15미만인 것을 말 한다.

고양정 안전밸브(High Lift Safety Valve) : 양정이 밸브시이트 지름이 1/15이상, 1/7미만인 것을 말한다.

전양정 안전밸브(Full Lift Safety Valve) : 양정이 밸브시이트 지름이 1/15이상으로, 밸브시이트 지름의 1/7이 열렸을때 발생하는 증기통로 면적보다 기타 부분의 증기통로 최소면적을 10%이상 크게 해서는 안된다.

전량 안전밸브(Full Bore Safety Valve or Maxiflow Safety Valve) : 밸브시이트 지름이 노즐(Nozzle) 목부분 지름의 1.15배 이상의 것으로, 디스크가 열렸을 때 밸브시이트부의 증기통로 면적을 최소로 한 경우에도 목부분 면적의 1.05배 이상으로 하며, 밸 브입구면적 등은 목부분 면적의 1.7배 이상인 것을 말한다.

② 형식별 분류

단식 안전밸브 : 보통 형식을 가리키며 단식의 밸브몸통내 밸브시이트와 디스 크 한쌍이 들어있는 것을 말한다.

복식 안전밸브 : 이차식 안전밸브라고도 말하며, 단일 밸브몸통내 2개의 밸브가 설치되고, 각각의 밸브가 증기의 입구 및 출구를 갖고 있는 것을 말한다. 설치장소의 제약을 받는 선박용 등에 사용된다.

③ 재료별 분류

안전밸브의 디스크와 시이트의 재료는 부식 및 충격에 대한 내구성이 큰 것이라야 하며, 최고사용압력이 2.94 MPa(30㎏/ ㎠)이상, 온도 235℃를 넘는 증기에 사용하는 재료는 철 또는 그 이상의 재질로 한다.

주철제는 최고사용압력 1.57 MPA(16㎏/㎠), 온도 230℃이하, 흑심가단주철은 2.35 MPA(24㎏/㎠)이하, 350℃에 사용한다.

청동주물(BC3)은 온도 235℃이하에 사용한다.

6) 특수밸브

(1)전동밸브(Motor Operated Valve)

전동밸브는 전동기와 밸브를 조합시킨 것으로, 전동기의 구동에 따라 밸브의 개폐 및 유량을 조절하며 동력전달 방식에 따라 레버(Lever)를 회전시키는 링케이지식(Linkage Type), 밸브의 개폐레버로 캠(Cam)을 이용한 캠식(Cam Type) 및 워엄치차(worm Wheel)로 밸브의 개폐를 하는 나사식(Screw Type)등이 있다. 또 유체의 종류, 압력 및 용량 등의 요소에 따라 2방향밸브와 3방향밸브가 있다.

① 2방향밸브(2-Way Valve)

단좌밸브와 복좌밸브가 있으며 시트와 플럭(Plug)으로 구성된다. 전자는 압력차가 큰 경우에는 부적당하지만 밀폐능력은 우수하다. 후자는 대유량 및 큰 압력차에 적당하나 유체의 완전밀폐에는 부 적당 하다.

② 3방향밸브(3-Way Valve)

냉온수의 혼합제어에 적당한 것으로서 2가지의 유체를 한쪽 방향으 로 적절하게 혼합시켜 흐르게 하며, 또한 온도가 서로 다른 2종의 유체를 혼합하여 일정한 온도로 유지하게 하는 온도제어용으로도 사용한다.

(2) 전자밸브(Solenoid Valve)

전자밸브는 온도조절기 또는 압력조절기 등에 의해 신호전류를 받아 전자석의 흡인력을 이용 자동적으로 밸브를 개폐시키는 것으로, 증기·물·유·공기 및 가스 등에 광범위하게 사용되고 있다.

① 직동형

직동형은 일반적으로 구조가 간단하며, 동압차도 확실하고 작동 압력도 저압력식 0㎏ STYLE="font-size:8pt;">f/㎠에서 사용가능하므로 소유량용으로 사용 된다.

② 파일로트형(Pilot Type)

파일로트형은 직동형에 비해 구조가 복잡하며, 작동압력도 높아 일반적으로 0.049∼0.098MPa(0.5∼1.0㎏/㎠)이상을 필요로 하지만, 사용유량은 대유량까지 가능하다.

③ 파일로트 킥형(Pilot Kick Type)

직동형과 파일로트형의 중간적인 형식으로 저압력식 0MPa(0㎏/ ㎠)에 사용할 수 있다.

(3) 온도조절밸브(Temperature Regulating Valve)

열교환기, 급탕용 저장조의 열원으로 증기 또는 고온수를 이들 기기의 가열장치(Coil)로 보낼 경우, 일정한 온도로 조절하기 위하여 사용하는 밸브이다. 이 밸브는 디스크·감온통 및 연결관으로 되어 있으며, 감온통 내부에 알코올(Alcohol)계의 액체가 들어있어 증기 또는 고온수의 흐름 양을 조절한다.

(4) 플로트밸브(Float Valve)

보일러(Boiler)의 급수탱크와 증기의 액면을 일정한 수위로 유지하기 위해 플로트를 수면에 띄워, 수위가 내려가면 플로트에 연결되어 있는 레버를 작동시켜서 밸브를 열어 급수를 한다. 또 일정한 수위로 되면 플로트도 부상하여 레버를 밀어내려 밸브가 닫히는 구조이며, 일종의 자력식 조정밸브이다.

7) 증발탱크(Flash Tank)

고압증기의 응축수가 저압증기의 환수관에 접속되면 압력이 저하되어 고압 응축수의 일부가 재증발하여 저압환수관내의 흐름을 방해할 뿐 아니라 환수관내의 압력이 상승하여 저압계통의 증기트랩 배출능력을 떨어뜨린다. 이와 같은 경우 고압증기의 응축수를 증발탱크에 넣어서 재증발을 발생시켜 사용하고 발생한 증기의 수급 균형을 갖게 하기위하여 증발탱크에는 안전밸브를 설치하고 또한 저압증기관에 고압증기를 접속하여 저압증기 쪽의 압력을 설계치로 유지하도록 하는 것이 좋다.

8) 응축수 저장탱크(Condensed water tank)

건식 환수방식에서 중력에 의하여 기계실로 환수되는 응축수를 저장한 후 보일러 급수펌프를 이용하여 보일러로 재급수할 때 사용하거나 또는 보일러실과 증기사용개소가 멀리 떨어져 있어 환수를 보일러실에 반송할경우에 일시 응축수를 저장하는 탱크를 응축수 저장탱크 또는 환수탱크라 한다.

이 탱크는 일반적으로 두께 6㎜전후의 강판과 보강용 형강을 이용하여 각형으로 제작하고, 환수관·보급수 펌프 연결관·배기관·익수관·보급수관 등의 접속구가 설치된다. 부착되는 부속품으로는 수면계·플로트(float) 및 플로트스위치(float switch)·약제투입구 등이 있다. 탱크의 외부에는 열손실을 방지하기 위하여 유리섬유나 암면 등과 부식방지를 위하여 알루미늄 메탈라이징과 같은 방식처리를 한다.

탱크의 용량은 응축수의 회수가 빠른 경우, 즉 배관망이 짧은 경우에는 전응축수 발생량의 5∼10분간 용량으로 가능하지만 급수펌프의 운전간격을 길게 잡을 경우나 배관망이 길어 응축수의 회수가 느린 경우에는 1/2∼1시간분으로 취하는 것이 좋다.

7. 증기 난방의 자동제어

증기난방에 있어서 방열량을 조절하는 방식으로는 각 방열기로 공급되는 증기량을 조절하는 방식과 증기공급온도를 조절하는 방식이 있다.

증기량을 조절하는 방식은 온도조절식 라디에터 밸브를 각 방열기에 설치하여 써모스타트에 의해 온-오프(on-off)제어하는 개별제어방식과 부하조건 또는 사용조건이 동일한 방열기들을 하나의 배관계통으로 묶어서 증기주관에 이방 전자밸브를 설치하고 실내에 설치된 써모스타트에 의해 온-오프제어하는 존 콘트롤 제어방식 주로 채택되고 있는데, 비례제어에 의한 존 콘트롤 제어방식은 균형적인 증기 공급분포 측면에서 불리하며, 이 경우 각 방열기 입구에 오리피스를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 증기공급온도를 조절하는 방식은 증기의 공급압력을 조절하여 제어할 수 있으나 제어성, 안전성, 과열방지 측면에서 불리하다.

그러므로 우리나라에서는 증기공급압력은 일정하게 유지시키고 증기량을 조절하는 제어방식이 주로 채택되고 있다