게시판 > 질답게시판 > Regulator 결로 또는 결빙 현상 분석

Stefano

09-09-03 10:33

(1) 열출입이 없이 고압의 가스를 노즐을 통해 감압(단열팽창)을 하게 되면 저압측으로 압력x유량 만큼의 일을 하게 되고 열역학 1법칙에 의해 가스가가진 엔탈피는 해당일만큼 줄어들게 됩니다 .

단열팽창의 경우 온도변화 T2=T1*(P2/P1)^(1-1/k)...............(1) T, P: 절대온도, 절대압력, 1:고압측, 2:저압측

참고로, 이때의 엔탈피 변화는 정용비열이 일정하다고 하면 다음과 같이 계산됩니다.
몰당 엔탈피변화(감소) = 가스가 한 일(Work, 에너지) = (가스의 정용비열 Cv)*(온도차 T2-T1)......(2) Cv: 정용비열

(2) 질문에서 결빙혹은 결로 현상이 나타나는 정도는 위의 온도강하로 Regulator 출구에서 냉각되는 량과 외부공기에의해 Retulator 출구부분 배관에서의 가열정도에 따라 달라집니다.

가스에 의한 냉각속도(kcal/h)는 (2)식에 몰유량을 곱하면 되지만 외부공기에의해 가열되는 속도는 전열면적과 열전달계수 및 온도차에 의해 결정됩니다.

냉각속도, Qc = m*Cv*(T2-T1)...............................(2a)
공기에 이한 가열 속도, Qh = U * A *(Ta-T)..............(3) T=배관의 표면온도, U=배관표면-공기간 열전달계수, A:전열면적

위의 두 식에 의해 Qc = Qh 되는 배관의 표면온도가 공기의 이슬점 이하로 되면 결로가 생기고, 온도가 더 떨어져 0℃ 이하로 내려가면 결빙현상이 나타나게 됩니다. 물론 배관을 따라 저온의 가스가 흐르게 되면 그 관 표면적을 통하여 공기로부터 가열이 되기 때문에 전열면적 A만 해도 얼마인지 결정하기가 어렵지만 개념상 열평형은 자연히 이루어지게되고 특히 온도가 가장 낮은 Regulator 출구부분에서는 결빙현상이, 그리고 조금 떨어져서는 결로현상이 일어나게 됩니다.

결빙현상이 계속되면 얼음의 두께가 늘어나 표면에서의 열전달 저항이 늘어나게 되면 결로되는 부분의 길이가 점점 늘어나게 되는데 장시간 계속되면 결국 일정한 결빙구간과 결로구간에서 열평형이 이루어지게 됩니다.

(3) 결로현상이 심한 경우라면 Regulator 출구 일정구간을 Steam Tracing 혹은 Electric Tracing 방법으로 가열해 주면 됩니다. 전기가열시에는 과열되어 재료가 취약해지는 일이 일어나지 않도록 온도조절 및 과열차단 기능을 부여해야 하겠지요.

(1) 열출입이 없이 고압의 가스를 노즐을 통해 감압(단열팽창)을 하게 되면 저압측으로 압력x유량 만큼의 일을 하게 되고 열역학 1법칙에 의해 가스가가진 엔탈피는 해당일만큼 줄어들게 됩니다 .

단열팽창의 경우 온도변화   T2=T1*(P2/P1)^(1-1/k)...............(1)    T, P: 절대온도, 절대압력, 1:고압측, 2:저압측

참고로,  이때의 엔탈피 변화는 정용비열이 일정하다고 하면 다음과 같이 계산됩니다. 
몰당 엔탈피변화(감소) = 가스가 한 일(Work, 에너지) = (가스의 정용비열 Cv)*(온도차 T2-T1)......(2)   Cv: 정용비열

(2) 질문에서 결빙혹은 결로 현상이 나타나는 정도는 위의 온도강하로 Regulator 출구에서 냉각되는 량과 외부공기에의해 Retulator 출구부분 배관에서의 가열정도에 따라 달라집니다.

가스에 의한 냉각속도(kcal/h)는 (2)식에 몰유량을 곱하면 되지만  외부공기에의해 가열되는 속도는 전열면적과 열전달계수 및 온도차에 의해 결정됩니다.

냉각속도, Qc = m*Cv*(T2-T1)...............................(2a)
공기에 이한 가열 속도, Qh = U * A *(Ta-T)..............(3)   T=배관의 표면온도,  U=배관표면-공기간 열전달계수, A:전열면적

위의 두 식에 의해 Qc = Qh 되는 배관의 표면온도가 공기의 이슬점 이하로 되면 결로가 생기고, 온도가 더 떨어져 0℃ 이하로 내려가면 결빙현상이 나타나게 됩니다.  물론 배관을 따라 저온의 가스가 흐르게 되면 그 관 표면적을 통하여 공기로부터 가열이 되기 때문에 전열면적 A만 해도 얼마인지 결정하기가 어렵지만  개념상  열평형은 자연히 이루어지게되고 특히 온도가 가장 낮은 Regulator 출구부분에서는 결빙현상이, 그리고 조금 떨어져서는 결로현상이 일어나게 됩니다.

결빙현상이 계속되면 얼음의 두께가 늘어나 표면에서의 열전달 저항이 늘어나게 되면 결로되는 부분의 길이가 점점 늘어나게 되는데 장시간 계속되면 결국 일정한 결빙구간과 결로구간에서 열평형이 이루어지게 됩니다.

(3) 결로현상이 심한 경우라면 Regulator 출구 일정구간을 Steam Tracing 혹은 Electric Tracing 방법으로 가열해 주면 됩니다.  전기가열시에는 과열되어 재료가 취약해지는 일이 일어나지 않도록 온도조절 및 과열차단 기능을 부여해야 하겠지요.

김경민

09-09-03 12:57

답변 감사합니다.
많은 도움이 되었습니다.
그러나 별 지식이 없는 저에게는 어렸네요.
좀더 공부를 하고 문의 드리겠습니다.

참고로 현장에서 liquid Gas나 사용량이 많아 결로가 발생할 경우 Gas의 원활한 흐름을 위해
Heating Cable를 감아서 사용하고 있습니다.

그리고 공부하고 싶은데 추천 책 좀 부탁드려요.

스테파노 Stefano

09-09-03 15:18

대학교재로 사용되는 열역학 교재 외에도 다음 교재를 참고하면 실질적으로 많은 도움이 될 것입니다.
(두번째 참고서적은 이병익이라는 한국인이 참여해서 2nd ed.을 내놓은 것입니다. Edmister는 아마 이 세상에 없는 분인것 같습니다.)
(1) Themodynamica for Engineers, Schaums Outline Series, 2nd ed. MGH, 2006
(2) W.C., Edmister & Byung-Ik Lee, Applied Hydrocarbon Thermodynamics, Vol 1&2, 2nd ed. GPC, 1988

우리나라에서도 열역학을 전공하신분이 계시면 더 좋은 교재를 만들어 내실 수 있으리라 생각됩니다. 이것들을 모두 Computer Program에 삽입하지 않으면 Process Simulator를 만들어 내지 못합니다.

혹시 정부기관에 계신분이 있다면 한국에서도 PROCESS SIMULATOR 개발하도록 연구비를 지원해 주도록 하면 좋겠습니다. 기술개발은 저리가라하고 산하를 훼손하는 "땅"만 파대는 짓거리만 하면 쓰겠습니까? 0

Stefano

09-09-03 16:43

(1) 참고로... 사용하는 가스가 CO2, HCl, Cl2 등과 같은 경우에는 고압용기 안에 상온에서도 주로 액상으로 존재합니다. 이 경우에는 Regulator를 거쳐 나오면서 압력이 떨어질 뿐 만 아니라 증발도 일어나기 때문에 결로현상이 훨씬 심각합니다.

이런 경우에는 Regulator에서 액이 분출되면서 Flashing (부분증발)현상이 나타나 증발잠열을 외부로부터 빼앗아 가기때문에 관외부에서 결로현상이 더욱 커서 마치 냉동실 성에끼는 정도로 심해집니다.

(2) Flashing 시의 Enthalpy Balance:

(고압 액상의 Enthalpy, h1) = (저압 기상의 엔탈피 H2)*(기상의 분율 Xv) + (저압 액상의 엔탈피 h2)*(액상의 분율, Xl) .....(1) Xv+ Xl = 1
기상 혹은 액상의 분율은 들어오는 CO2의 양을 1로 보고 증발된/증발되지 않은 각각의 비율이고 질량분율이거나 몰분율이거나 같은 값입니다.

(3) 저압에서의 액상과 기상의 엔탈피 차는 바로 "증발잠열"이 되기 때문에 증발된 기상의 분율은 다음과 같이 계산됩니다.
또한 저압측의 온도는 저압에서의 CO2의 비등점(포화온도)이 됩니다.

h1 = H2*Xv + h2*Xl, Xl = 1-Xv
h1 = H2*Xv + h2*(1-Xv) (H2-h2) * Xv = (h1 - h2), 따라서

고압측 액상이 저압에서 증발된 비율,
Xv = (h1 - h2)/(H2-h2) = (고온 저온에서의 액상의 엔탈피 차, h1 - h2)/(저압에서의 액의 증발잠열, λ)......(2)

(4) 만일 CO2 사용량이 많은 경우라면 유량조절기 뒷부분에 Orifice를 여러 단을 두어 단계적으로 감압하고 스팀을 사용한 액 증발기를 사용하여 액을 가열, 증발시켜 공정중에 공급하는 것이 좋습니다.

김경민 kkmin85

09-09-03 22:13

상세한 추가 설명 감사드립니다.

Bottle에서 일정 거리를 두고(위쪽 방향으로 1M)) Regulator가 설치되어 있기 때문에 Flashing (부분증발)현상이
Regulator에서 까지 발생하는지는 잘 모르겠습니다.
참고로 결로가 발생하는 구간은 다음과 같습니다.
Bottle(결로 발생) -> 1/4" Gas Line (결로 발생 안함) -> Regulator(결로,결빙 발생)

실제로 Bottle에서 증발잠열에 의한 결로가 발생하는되요.
Gas를 사용함에 따라 결로 발생 부위가 위에서 점점 아래로 내려갑니다.

감사합니다.

스테파노 Stefano

09-09-04 11:31

(0) Bottle에서 결로가 발생한다는 것은 Bottle 내에서 증발되고 증발된 CO2가 기상으로 Bottle을 떠난다는 의미입니다.

(1) 소량의 CO2를 사용하는 경우에는 45L 정도의 소형 Bottle을 바로 세워놓고 증발되는 CO2를 기상으로 배출하지만 다량의 CO2를 사용하는 Plant라면 대용량의 Bottle을 거꾸로 세워놓고 액상의 CO2를 배출하여 온수 혹은 스팀을 사용하여 증발기로 증발시켜 사용하는 것이 일반적입니다.

(2) 소형 CO2 Bottle에 결로가 발생한다고 하면 간단히 Bottle을 온수통에 담가서 CO2가 증발되는 잠열을 온수로 공급하면 온도가 영하로 떨어지지 않아서 용기표면에서의 결로현상을 방지할 수 있습니다. 온수는 스팀으로 직접 혹은 간접가열 방식으로 가열함으로써 온도가 떨어짐을 방지해야 하겠지요. Steam으로 가열하면 Bottle 내의 압력이 CO2증기압에 의해 압력이 크게 상승할 수 있으므로 주의 해야 합니다.

(3) 현재의 System에서는 CO2가 (Bottle 외부에서 공기에 의해 가열되어)증발해서 증기가 배출되므로 증발잠열을 빼앗아 가기 때문에 결로현상이 일어나는 것이고

1/4" 관에서도 저온의 가스가 흐르지만 관이 가늘어서 표면적이 상대적으로 크기 때문에 공기가 다량 접하고 있어서 Tube 표면의 온도가 공기의 이슬점 이하로 떨어지지 않기 때문에 결로현상이 일어나지 않지요

그러나 Regulator 후단에서는 앞서 설명한 바와 같이 단열 팽창에 의한 온도강하현상이 일어나 온도가 다시 크게 떨어져서 결로, 결빙현상이 일어나게 됩니다.

(4) 따라서 우선 Bottle을 온수에 담가서 가스를 공급하는 방법을 사용하고, Regulator 후단에서의 결로방지는 Tube 외부를 가열하는 방법을 사용하는 것이 필요합니다. 관경이 작아 사용량이 작기 때문에 단순히 Bottle을 온수에 담금으로써 결로현상이 모두 없어질 수도 있습니다. 우선 담가보시죠.

김경민 kkmin85

09-09-04 15:12

결로 발생으로 문제가 될시에는 bottle에 Heating Jacket, Gas Line에 Heating cable를 설치하여 해결하고 있습니다.
그리고 Gas 공급장치는 생산장비의 사용량을 고려하여 분배하기 때문에 위와 같은 현상은 극히 드물게
발생합니다.

저는 현장에서 발생하는 현상에 대해(결로, 결빙) 좀더 자세히 알고싶어서 문의드린건데 친절한 설명과
해결방법까지 적어 주셔서 감사합니다.

단열팽창에 의한 온도저하, 외부공기에 의한 온도 보상, 외부공기 온습도 측정(이슬점,수증기 포화곡선) 등을 좀더
알아보고 수식에 대입해봐야 겠습니다.

감사합니다.