게시판 > 질답게시판 > 열교환기 chest pressure 관련 질문드립니다.

스테파노 Stefano

18-01-16 11:49

A1) 공급 Steam의 압력이 사용처의 압력보다 높다면 사용처에 스팀을 주입할 수 있습니다. 사용처에서 스팀이 응축이 일어난다면 포화상태의 온도와 압력이 되는데 연속공급되고 연속 응축이 일어난다면 그 온도와 압력이 한결같이 유지됩니다.

온도가 120도로 일정하려면 응축압력 2 kgf/cm2 abs 의 압력이 일정하게 유지될 것입니다. 그 압력이 일정하게 유지되도록 하는 것은 공급용 Control Valve가 해주고 있습니다. 수동밸브로는 조절이 무척 어렵지만 자동밸브로 쉽게 유지 가능합니다.

질문에서 2.2KG( 2.2 kgf/cm2 g)이라면 포화(응축)온도는 135도정도 됩니다. 120라면 응축수가 과냉된 상태가 되는데 그 온도가 맞다면 Steam의 압력은 2 kgf/cm2 abs가 유지되고 있는 것이지요.

A2) 질문에서의 Chest Pressure는 Reboiler의 Shell Side Pressure를 언급하고 있습니다. Control Valve를 지나 Reboiler 내 Shell에서유지되고 있는 압력을 뜻합니다.

Shell Side(Chamber or Chest) 압력은 스팀이 응축되고 있지 않으면 공급 스팀압력이 그래로 걸려있게 되지만 응축이 일어나고 있다면 Shell에 공급되는 Steam과 응축되는 Steam이 Balance를 유지하는 압력이 걸리게 됩니다. 따라서 Shell 측의 압력은 열전달 밸런스에 의해 결정되게 됩니다. Reboiler 부하가 적게 걸린다면 Control Valve가 Steam 공급을 줄이기 위해 Valve를 Throttling해 주게 되는데 경우에 따라서는 Shell의 압력이 부분진공상태에 놓일 수도 있습니다.

질문에서의 < "steam을 유입시키는 압력">이라는 용어는 어떤 의미인지 아주 애매합니다. Control Valve의 차압을 이야기 하는지 공급스팀의 압력을 말하는지... 따라서 이 용어는 공장의 일반적으로 선임엔지니어들이 사용하는 용어가 아닙니다.

<P.S.>
Reboiler의 부하를 늘이려면 Shell Side의 압력을 높여주어야 합니다. 공급스팀의 압력이 3.5 kgf/cm2라고 한다면 이 압력에서Shell측에서 유지할 수 있는 최고의 온도는 포화온도 147℃입니다. 150도의 스팀이 공깁되고 있다면 약 3도정도 과열된 상태의 스팀이라는 이야기이고, Shell 에서의 온도가 120도라고 한다면 압력은 당연히 포화압력 2 kgf/cm2 abs이 될 수 밖에 없습니다.

A1) 공급 Steam의 압력이 사용처의 압력보다 높다면 사용처에 스팀을 주입할 수 있습니다.   사용처에서 스팀이 응축이 일어난다면 포화상태의 온도와 압력이 되는데 연속공급되고 연속 응축이 일어난다면 그 온도와 압력이 한결같이 유지됩니다.

온도가 120도로 일정하려면 응축압력 2 kgf/cm2 abs 의 압력이 일정하게 유지될 것입니다.  그 압력이 일정하게 유지되도록 하는 것은 공급용 Control Valve가 해주고 있습니다.   수동밸브로는 조절이 무척 어렵지만 자동밸브로 쉽게 유지 가능합니다.

질문에서 2.2KG( 2.2 kgf/cm2 g)이라면 포화(응축)온도는 135도정도 됩니다.  120라면 응축수가 과냉된 상태가 되는데 그 온도가 맞다면 Steam의 압력은 2 kgf/cm2 abs가 유지되고 있는 것이지요.

A2) 질문에서의 Chest Pressure는 Reboiler의 Shell Side Pressure를 언급하고 있습니다.   Control Valve를 지나 Reboiler 내 Shell에서유지되고 있는 압력을 뜻합니다.

Shell Side(Chamber or Chest) 압력은 스팀이 응축되고 있지 않으면 공급 스팀압력이 그래로 걸려있게 되지만 응축이 일어나고 있다면 Shell에 공급되는 Steam과 응축되는 Steam이 Balance를 유지하는 압력이 걸리게 됩니다.   따라서 Shell 측의 압력은 열전달 밸런스에 의해 결정되게 됩니다.    Reboiler 부하가 적게 걸린다면 Control Valve가 Steam 공급을 줄이기 위해 Valve를 Throttling해 주게 되는데 경우에 따라서는 Shell의 압력이 부분진공상태에 놓일 수도 있습니다.

질문에서의  < "steam을 유입시키는 압력">이라는 용어는 어떤 의미인지 아주 애매합니다.   Control Valve의 차압을 이야기 하는지 공급스팀의 압력을 말하는지... 따라서 이 용어는 공장의 일반적으로 선임엔지니어들이 사용하는 용어가 아닙니다.

<P.S.>
Reboiler의 부하를 늘이려면 Shell Side의 압력을 높여주어야 합니다.   공급스팀의 압력이 3.5 kgf/cm2라고 한다면 이 압력에서Shell측에서 유지할 수 있는 최고의 온도는 포화온도 147℃입니다.   150도의 스팀이 공깁되고 있다면 약 3도정도 과열된 상태의 스팀이라는 이야기이고, Shell 에서의 온도가 120도라고 한다면 압력은 당연히 포화압력 2 kgf/cm2 abs이 될 수 밖에 없습니다.

꼬맹이남편 jhk2158

18-01-17 13:28

항상 좋은 말씀 감사드립니다. 다만, 제가 질문을 애매하게 드려 아직 궁금증이 가시지 않아 다시 한 번 여쭙겠습니다..
우선 < "steam을 유입시키는 압력">은 Control Valve의 차압을 의미하는 것이었습니다. 아직 용어 사용이 익숙치 않아 혼란을 드린 것 같습니다.

제가 아직도 이해가 되지 않는 것은;
QQ1) '3.5KG 압력의 steam을 Control Valve로 조절해서 2.2KG steam으로 만들어 공급하여 Shell Side의 압력을 2.2KG로 유지시킨다' 는 말입니다.
Control Valve를 이용해서 steam의 공급을 조절해 steam이 흐르는 Line의 압력을 줄인다는 것인지, steam 자체의 압력을 줄인다는 것인지, 아니면 처음부터 접근을 잘못하고 있는 것인지 매우 혼란스럽습니다.

답변 주신 <Shell Side(Chamber or Chest) 압력은 스팀이 응축되고 있지 않으면 공급 스팀압력이 그래로 걸려있게 되지만 응축이 일어나고 있다면 Shell에 공급되는 Steam과 응축되는 Steam이 Balance를 유지하는 압력이 걸리게 됩니다> 의 내용이 선뜻 이해가 가지 않습니다...

QQ2) steam이 열전달 매체인 열교환기의 열교환 메커니즘은, '응축되는 steam이 내놓는 응축열로 공정 유체를 가열시키는 것'으로 이해하고 있으면 될까요?

스테파노 Stefano

18-01-17 18:09

(1) 언급했던 바와 같이 <유입시키는 압력>이라는 용어로는 매우 혼동스러워 집니다. 내용을 이해했으므로 추가 답글 올립니다.

AA1) 3.5 kg/cm2g의 압력을 공급해서 Reboiler의 (Steam측)압력을 2.2 kg/cm2로 일정하게 유지할 수 있으려면 열려있는 Control Valve의 Valve Position (즉 Controller Output Signal)에서 공급되는 스팀량과 소요되는 스팀량이 같아야하고 그 스팀량이 2.1 (=3.5-2.2) kgf/cm2의 차압에서 흐르고 있어야 합니다.

따라서 1)우선 차압이 1.1이 되어야한다는 조건, 2) 스팀 공급량과 소비량이 같아야 한다는 조건, 그리고 3)그 스팀량이 그 차압에서 흐를 수 있어야 한다는 세가지 조건이 만족되어야만 Steam의 압력이 2.2 kg/cm2를 유지하게 됩니다.

필자의 경험으로는 이 조건은 사실 만족시키기 어려운 조건입니다. 그러나 현장의 운전조건에 우연히도 그 조건에서 운전되고 있다고 하면 전혀 불가능한 조건도 아닙니다. 따라서 선배의 말도 맞을 수 있고 질문자의 생각이 옳을 수도 있습니다.

그러나 대부분의 Reboiler의 Control System은 부하에 맞추어 Steam을 공급하는 역할만을 하기 때문에 그 2.2 kg/cm2 g의 압력이 맞지 않더라도 (아니, 맞지 않은 상태로, 굳이 그 압력에 맞출 필요없이) 스팀량이 조절되도록 되어 있습니다. 따라서 실제의 Steam측의 압력은 정상상태에서 대부분 그 조건이 아닌 다른 압력상태에 운전되고 있다고 봐야 합니다.

<Control Valve가 공급 Steam량을 조절하고 있다>는 것은 <필요한 Steam의 양을 정확히 공급하고 있다>는 것이고 그 때의 Steam 유량이 흐를 때에 맞추어 차압을 조절하게 됩니다. 따라서 Steam의 유량은 같더라도 Steam측 압력은 크게 달라질수 있습니다. Steam 유량이 10t/h로 일정하다고 해도 응축되는 Steam측 압력이 높게 유지된다고하면 <Control Valve 전후 압력차>가 크기 때문에 Control Valve의 Valve Opening은 늘어나야 하지만 공급 Steam이 잘 응축된다면 Steam측 압력이 낮게 유지되기 때문에 Control Valve Position은 줄어듭니다. 압력차가 큰상태에서는 밸브를 줄여줘야 같은양의 스팀이 흘러가도록 해야 하기 때문입니다.

이 Valve Position은 Controller가 Feedback Signal을 받아 안정적으로 자동 조절됩니다. 그러나 그 때의 압력은 2.2 kg/cm2 g로 반드시 고정되지 않는다는 것입니다. 이 설명은 <.... 선뜻 이해가 가지 않습니다... >라는 부분에 대한 설명이었습니다. Steam 공급과 소비가 균형을 이루고 있다면 반드시 2.2 kgf/cm2 g 이어야 할 필요는 없기 때문입니다.

선배엔지니어는 <2.2 kg/cm2g로 운전되는 조건>이 현재의 <Reboiler의 부하조절을 위해 유지해야할 필요충분조건>이라고 생각하고 있는 것으로 보이는데 이는 자연적으로 결정된 필요적 압력일 뿐 <필요충분적>조건은 아닙니다.

AA2) 맞습니다. 대부분의 Steam 가열기는 주로 응축잠열에 의해 가열됩니다. 응축수의 온도가 내려가 현열이 작용된다고 해도 그 부분은 불과 수% 미만에 해당합니다.

스팀이 135도에서 응축된 다음 온도가 120도로 떨어져 응축수가 배출된다고 했을 때에도 잠열과 현열의 차는 큽니다.
Steam 응축잠열 = 515 kcal/kg 97.2 %
Subcooling 현열 = 15 kcal/kg 2.8%

그래서 Steam 가열기에 소요되는 스팀의 양은 <잠열만으로 계산>하는 것이 일반적입니다.

(2) Steam 측 압력이 낮은 조건에서의 온도조절 시스템 구성 요령 (참고)

이 주제와 관련될 수도 있는 공정시스템과 가장 유사한 예에 해당하는 공정장치에서 온도조절시스템을 구성하는 요령을 보충설명합니다.

가열스팀을 공급하면 온도가 너무 올라가고, 스팀을 끊으면 온도가 너무 떨어지는 경우... 열량이 크지 않으면 온수로 가열하는 방법이 좋습니다.

부하는 크지만 Steam측에 진공이 걸려 조절이 어려운 경우...공급된 Steam이 응축되어 진공이 걸리게 되면 Control Valve의 차압이 증가하여 Steam이 과량 공급되다가 과열되면 Steam을 차단하고.. 이현상이 반복되면 온도조절이 어려워집니다. 연속공정에서는 Control Valve Sizing에 이런문제가 없는데 회분식 공정 등에서는 온도차가 상황에 따라 달라져서 Steam 조절이 어려운 경우가 발생하기도 합니다. 이럴 때에는 온도조절기 예하에 압력 조절기를 두고 온도조절기가 압력조절기의 설정값을 조절하도록 <Cascade>방식 조절기를 두면 훌륭하게 조절이 잘 됩니다.

원래의 질문에서 만일 2.2 kg/cm2 g를 정확히 맞춰가면서 온도조절을 하려고 한다면 Master 온도조절기 예하에 Slave Pressure Controller를 두고 운전하면 <기가막히게> 온도조절이 잘될 수 있습니다. (여기서도 또 한번 반복하지만..) 그렇다고 해서 2.2kg/cm g가 반드시 유지되어야 할 이유는 없다는 것을 명확히 이해해야 합니다.

(1) 언급했던 바와 같이 <유입시키는 압력>이라는 용어로는 매우 혼동스러워 집니다.  내용을 이해했으므로 추가 답글 올립니다.

AA1) 3.5 kg/cm2g의 압력을 공급해서 Reboiler의 (Steam측)압력을 2.2 kg/cm2로 일정하게 유지할 수 있으려면 열려있는 Control Valve의 Valve Position (즉 Controller Output Signal)에서 공급되는 스팀량과 소요되는 스팀량이 같아야하고 그 스팀량이 2.1 (=3.5-2.2) kgf/cm2의 차압에서 흐르고 있어야 합니다.

따라서 1)우선 차압이 1.1이 되어야한다는 조건, 2) 스팀 공급량과 소비량이 같아야 한다는 조건, 그리고 3)그 스팀량이 그 차압에서 흐를 수 있어야 한다는 세가지 조건이 만족되어야만 Steam의 압력이 2.2 kg/cm2를 유지하게 됩니다.

필자의 경험으로는 이 조건은 사실 만족시키기 어려운 조건입니다.  그러나 현장의 운전조건에 우연히도 그 조건에서 운전되고 있다고 하면 전혀 불가능한 조건도 아닙니다. 따라서 선배의 말도 맞을 수 있고 질문자의 생각이 옳을 수도 있습니다.

그러나 대부분의 Reboiler의 Control System은 부하에 맞추어 Steam을 공급하는 역할만을 하기 때문에 그 2.2 kg/cm2 g의 압력이 맞지 않더라도 (아니,  맞지 않은 상태로, 굳이 그 압력에 맞출 필요없이) 스팀량이 조절되도록 되어 있습니다.  따라서 실제의 Steam측의 압력은 정상상태에서 대부분 그 조건이 아닌 다른 압력상태에 운전되고 있다고 봐야 합니다.

<Control Valve가 공급 Steam량을 조절하고 있다>는 것은 <필요한 Steam의 양을 정확히 공급하고 있다>는 것이고 그 때의 Steam 유량이 흐를 때에 맞추어 차압을 조절하게 됩니다.   따라서  Steam의 유량은 같더라도 Steam측 압력은 크게 달라질수 있습니다.   Steam 유량이  10t/h로 일정하다고 해도   응축되는 Steam측 압력이 높게 유지된다고하면 <Control Valve 전후 압력차>가 크기 때문에 Control Valve의 Valve Opening은 늘어나야 하지만  공급 Steam이 잘 응축된다면 Steam측 압력이 낮게 유지되기 때문에 Control Valve Position은 줄어듭니다.  압력차가 큰상태에서는 밸브를 줄여줘야 같은양의 스팀이 흘러가도록 해야 하기 때문입니다.

이 Valve Position은 Controller가 Feedback Signal을 받아 안정적으로 자동 조절됩니다.   그러나 그 때의 압력은 2.2 kg/cm2 g로 반드시 고정되지 않는다는 것입니다.    이 설명은  <.... 선뜻 이해가 가지 않습니다... >라는 부분에 대한 설명이었습니다.    Steam 공급과 소비가 균형을 이루고 있다면 반드시  2.2 kgf/cm2 g 이어야 할 필요는 없기 때문입니다.

선배엔지니어는 <2.2 kg/cm2g로 운전되는 조건>이 현재의 <Reboiler의 부하조절을 위해 유지해야할 필요충분조건>이라고 생각하고 있는 것으로 보이는데 이는 자연적으로 결정된 필요적 압력일 뿐 <필요충분적>조건은 아닙니다.

AA2) 맞습니다.  대부분의 Steam 가열기는 주로 응축잠열에 의해 가열됩니다.  응축수의 온도가 내려가 현열이 작용된다고 해도 그 부분은 불과 수% 미만에 해당합니다.

스팀이 135도에서 응축된 다음 온도가 120도로 떨어져 응축수가 배출된다고 했을 때에도 잠열과 현열의 차는 큽니다. 
Steam 응축잠열 = 515 kcal/kg  97.2 %  
Subcooling 현열 = 15 kcal/kg     2.8%

그래서 Steam 가열기에 소요되는 스팀의 양은 <잠열만으로 계산>하는 것이 일반적입니다.

(2) Steam 측 압력이 낮은 조건에서의 온도조절 시스템 구성 요령 (참고)

이 주제와 관련될 수도 있는 공정시스템과 가장 유사한 예에 해당하는 공정장치에서 온도조절시스템을 구성하는 요령을 보충설명합니다.

가열스팀을 공급하면 온도가 너무 올라가고, 스팀을 끊으면 온도가 너무 떨어지는 경우... 열량이 크지 않으면 온수로 가열하는 방법이 좋습니다.

부하는 크지만 Steam측에 진공이 걸려 조절이 어려운 경우...공급된 Steam이 응축되어 진공이 걸리게 되면 Control Valve의 차압이 증가하여 Steam이 과량 공급되다가 과열되면 Steam을 차단하고.. 이현상이 반복되면 온도조절이 어려워집니다.   연속공정에서는 Control Valve Sizing에 이런문제가 없는데 회분식 공정 등에서는 온도차가 상황에 따라 달라져서 Steam 조절이 어려운 경우가 발생하기도 합니다.    이럴 때에는 온도조절기 예하에 압력 조절기를 두고 온도조절기가 압력조절기의 설정값을 조절하도록 <Cascade>방식 조절기를 두면 훌륭하게 조절이 잘 됩니다.

원래의 질문에서 만일 2.2 kg/cm2 g를 정확히 맞춰가면서 온도조절을 하려고 한다면 Master 온도조절기 예하에 Slave Pressure Controller를 두고 운전하면 <기가막히게> 온도조절이 잘될 수 있습니다.   (여기서도 또 한번 반복하지만..) 그렇다고 해서 2.2kg/cm g가 반드시 유지되어야 할 이유는 없다는 것을 명확히 이해해야 합니다.