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  열교환기 내 Vacuum 이 생기는 현상
  글쓴이 : 휘혼   고유ID : clarose     날짜 : 19-01-25 10:59     조회 : 285    
안녕하세요?
이전에 비슷한 질문을 드린적이 있는데 궁금한 점이 또 생겨서 질문드립니다.
LP steam이 열원인 Propylene Heater의 경우에 기존 Rating이 Fouling margin이 과다하거나
Turn down 운전하여서 Area가 과다하게 남을 때 LP steam이  급격하게 Condensing을 하면서
Vacuum이 일어난다고 하셨는데 어떻게 Vacuum까지 일어나는지 잘 이해가 되지 않습니다.
Propylene이 -46도에서 들어가서 20도 정도가 design 수치이고 Turn down 운전시 35도 정도까지 오르는데
외기(상온)&Process 유체가 35도 정도라도 Condensate 온도가 저정도 온도로 떨어지면 떨어졌지
Steam이 잠열교환도 하지 않도 저 온도까지 떨어질수 있다는 것이 이해가 되지 않습니다.
항상 명쾌한 답변 감사드립니다!

스테파노 Stefano   19-01-25 19:02
(1) Steam으로 Hot Water를 만들어내는 Hot Water Generator에서도 처음 찬물이 담겨있을 때 Steam을 넣어주면 Steam측에서 응축이 많이 일어나 진공상태가 되기도 합니다.  이런 현상은 LPG와 같이 상온에서도 LPG 증기측 압력이 많이 떨어지거나 전열면적에 비해 부하가 크게 걸리지 않을 때 LPG가 쉽게 증발되면서 LPG가 증발잠열을 가지고 달아나면서 Steam을 응축시키는 현상이 나타날 때 일어날 수 있는 현상입니다. 

정상적인 상황에서는 일어나지 않아야 하는 현상이기 때문에 만일 실제 장치에서 이런현상이 잦다면 가열시스템을 수정하거나 운전하는 방법을 바꾸어 줄 필요가 있습니다.   

이전에 설명을 올렸는지 기억이 없는데 언뜻 다시 떠오르는 방법은 Vaporizer의 Steam측 Condensate Level을 조절하면서 Condensate를 배출하는 Level Controlled ,Trap을 사용하면 Steam이 응축되는 면적을 조절할 수 있어서 과다한 과잉전열면적 문제를 해결할 수 있을 것이고 LPG 부하조절도 크게 용이해 질 것입니다.    이런류의 Heat Exchanger, (Heater)를 Variable Area Heat Exchanger (Heater)라고 하지요.

(2) LPG Vaporizer를 Steam 관점에서 보면 LPG를 냉매로 사용하는 Steam 응축기인 셈입니다.  LPG가 냉동기 냉매라 생각하고 냉매를 증발시키면서 Steam을 응축시키는 열교환기라고 생각하면  LPG 증발량이 너무 많아 Steam이 공급압력에서 응축될 뿐 만아니라 증발온도가 낮아져 대기압 이하의 온도로 떨어지면 그때 Steam 측에서는 진공이 걸리기 시작할 것입니다.  Seam의 공급이 계속되면 진공이 걸리지 않을 터이지만 부하감소로 Steam Valve가 줄여져 있는 상태에서 LPG가 증발하고 있다면 Steam이 응축된 후에 Subcooling이 되면서 100도 이하로 온도가 떨어지면 그때부터 진공이 걸리게 됩니다.
휘혼 clarose   19-01-28 09:36
답변 감사드립니다!
제가 생각하기로는 steam의 급격한 응축이 있더라도 steam header에서의 원활한 공급이 지속된다면 vacuum은 절대 일어나지 않을 것이라 생각했는데 CV에서 생각보다 많은 dP가 걸리게 된다면 vacuum이 걸릴수도 있다는 말씀이시군요.

말씀해주신대로 Condensate level control 도 생각해보았으나 LPG의 공급온도가 -46도 이다보니 Channel&Tube에 level이 차게되면 얼어버릴 가능성이 높을것으로 예상되어 함부로 열교환기내에 Level을 채우기 어려운상황입니다.(현재 문제가 되었던 상황도 Channel&Tube에 Condesate가 차서 얼어서 Tube에 leakage가 발생하였습니다.)

한가지 더 이해가 어려운부분이 있는데요. "Steam이 응축된 후에 Subcooling이 되면서 100도 이하로 온도가 떨어지면 그때부터 진공이 걸리게 됩니다."라고 말씀해주셨는데 이때 condensate T.는 100도 이하이지만 steam의 온도는 condensate와 같지 않을 것으로 생각하는데요. steam은 공급압력에서 제대로 공급만 되고 있다면, 설령 거의 닫혀진 CV로 인하여 1 kg/cm2G 까지 감압이 되었다해도 stram은 120'C에서 증발잠열을 전달하여 120'C 의 condensate가 되고 그 이후에 subcooling이 되는 과정을 거칠것인데 condensate가 100도 이하로 떨어진다고 steam도 같이 100도 이하로 떨어져서 condensing이 일어나서 vacuum이 걸린다는 것은 잘 이해가 되지 않습니다.
고견부탁드립니다.
스테파노 Stefano   19-01-28 11:40
(0) Steam이 공급되어 LPG를 가열하는 조건이 1기압의 스팀이 아닌 (예를들어 0.8기압, 0.7기압 등) 압력이 유지되고 있다면 약간의 진공이 걸리는 상태가 된다는 이야기이지요.  진공이라해서  완전진공(즉 절대압력 0)이 되는 것이 아니고  스팀의 증기압이 대기압보다 낮은 상태라면 <부분진공(Partial Vacuum)>상태를 나타낸다는 것을 말합니다. 

(1) 지적한 바와 같이 Vaporizer 내부에 응축수가 남아있을때 영하로 온도가 내려가면 얼어버릴 것이므로 응축수는 모두 배출해야되겠습니다. 

(2) Vaporizer 안에서 Steam이 100도 이하에서 응축되고 있다면 공급되는 Steam의 온도는 120도로 높겠지만 Vaporizer 내에 들어와서 Steam이 응축되는 온도 (예를들어 95도)까지 떨어지고, Tube 표면에서 응축되고나서 약간의 온도가 더 떨어진 상태(예를 들어 90도)로 Subcooling이 일어난 상태로 흘러내려 배출노즐과 트랩을 통해 배출될 것입니다. 

이 때 90도에서 응축이 일어나고 있다면 95도에서 수증기의 증기압 634 torr의 압력을 나타낼 것이므로 대기압 760 torr와 비교해서 126 mmHg의 부분진공을 나타냅니다.

(3) 이때 Steam-응축수-과냉응축수는 약간씩 온도가 차이가 나게되는데 열을 빼앗기면서 Steam과 응축수가 이동하는 통로를 거치면서 온도가 조금씩 내려가는것입니다.  Seam Control Valve 전단의 압력이 3기압이라고 해도 압력이 Control Valve를 거치면서 634 torr로 압력이 떨어지면서 단열팽창현상에 의해 Steam의 온도가 95도로 내려가고 가열표면에서 Steam이 응축되면서 95도의 응축수가 생기고, 이곳에 머물면서 온도가 더 내려가 90도로 떨어진 후 응축수가 배출되는 것이지요. 

해당 증발기내의 압력은 대기압보다 낮은 상태로 운전되고 있고 이때의 스팀의 온도는 100도보다 낮은 온도를 나타낼 것입니다. 전혀 이상한 일이 아닙니다.  응축압력이 약간 진공이 걸려있기 때문에 이 상태에서 응축수를 빼내려면 진공상태에서 배출할 수 있는 펌프가 필요하게 됩니다.

Steam Control Valve가 부하에 맞추어 자동으로 조절되도록 설치되어 있기 때문에 LPG 증발량이 줄어들면 Steam Valve는 줄여주어야 하는 상태가 되는데 Steam의 압력이 부분적으로 진공이 유지되는 상태 (예를 들어 126 mmHg의 진공)에서 응축이 일어나기 때문에 Steam과 응축수의 온도는 대략 95도가 유지되는 상태입니다.   

결과적으로..  Steam 온도가 그리 낮아도 가열 성능을 나타내고 있다는 이야기 입니다.  시스템상의 문제점이 구체적으로 무엇입니까?    배출되는 응축수의 온도가 얼마인지 궁금합니다.  배출되는 응축수는 응축이 일어난 후 가열기 표면에 머물면서 온도가 더 떨어져 배출될 것이기 때문입니다.
휘혼 clarose   19-01-28 15:16
답변감사드립니다!
자꾸 질문드려서 죄송합니다.
말씀하신 부분 100도 이하, 즉 90도에서 condensaing이 일어나게 된다면 Partial vacuum이 된다는것은 알고 있습니다.
그러나 제가 이해가 되지 않는 부분은 하기 말씀하신 내용중에,
"Vaporizer 안에서 Steam이 100도 이하에서 응축되고 있다면 공급되는 Steam의 온도는 120도로 높겠지만 Vaporizer 내에 들어와서 Steam이 응축되는 온도 (예를들어 95도)까지 떨어지고, Tube 표면에서 응축되고나서 약간의 온도가 더 떨어진 상태(예를 들어 90도)로 Subcooling이 일어난 상태로 흘러내려 배출노즐과 트랩을 통해 배출될 것입니다. "
이 부분에서 Steam이 120도로 들어와서 90도까지 온도가 떨어진다는 것이 이해가 가지 않습니다.
4 kg/cm2G 에서 1 kg/cm2G 로 떨어진 후의 sat.T가 120도 인것인데 이 온도가 steam인 상태로 95도까지 떨어질수 없는거 아닌가요?
접하고 있는 condensate의 온도가 더 낮더라도 steam이 잠열을 이용하여 120도 에서 잠열교환을 한뒤 condensate로 변해서 120도 부터 현열을 이용해서 95도를 거쳐 90도 까지 떨어지는 것이지 120도의 sat. steam이 90도의 subcooled(?) steam이 된다는 것이 이해가 되지 않습니다.
스테파노 Stefano   19-01-28 18:50
(0) 아직도 설명이 부족했었나 봅니다.  해당 열교환기에서 일어나는 과정을 다시 자세히 설명하겠습니다.  마지막 질문 부분에서 잘못 이해하는 부분을 <>로 인용하여 먼저 답변합니다. 

<steam이 잠열을 이용하여 120도 에서 잠열교환을 한뒤 condensate로 변해서..>
==> 공급되는 Steam이 120도라고 해도 압력이 떨어지면 열교환이 없어도 단열팽창으로 인하여 온도가 내려갑니다.
<.. 120도부터 현열을 이용해서 95도를 거쳐 90도 까지 떨어지는 것이지..>
==> 120도에서 단열팽창으로 먼저 115도로 떨어지고나서 95도까지 온도가 떨어지는 것은 현열은 맞지만 액상의 현열이 아니고 기상에서 내놓는 현열에 해당합니다.
<..120도의 sat. steam이 90도의 subcooled(?) steam이 된다는 것이 이해가 되지 않습니다.>
==>120도에서 115로 Steam의 온도가 떨어지는 것은 "Subcooling"이 아니고 "Desuperheating"에 해당하고, 감압 후 95도 포화스팀이 될 때 까지는 "Superheated Steam에 해당합니다.  Desuperheating 과정도 열을 내놓는 과정이고 Steam이 95도 Condensate 포화온도로 응축되면서 잠열을 내놓고,  포화온도이하의 온도 90도로 온도가 더 떨어지는 과정이 "Subcooling"에 해당합니다.   

(1) Steam측에서 일어나는 현상을 가상의 온도와 압력으로 설명하면 이해가 더 쉬울 것으로 보여 여기서도 온도와 압력을 가정하여 설명해 봅니다. 

1 kg/cm2 G (약 2kg/cm2 A)포화 Steam이 가진 Enthalpy는 624 kcal/kg이고 응축온도는 120도가 되는데 압력이 -0.15 kg/cm G(0.85 kg/cm2 A)로 압력이 떨어지면서 115도 정도의 과열스팀이 됩니다. 온도와 압력은 낮아졌어도 엔탈피는 624kcal/kg으로 동일합니다.    이 과정은 열교환없이 압력만 떨어지는 단열팽창과정으로 엔탈피 변화는 없습니다.  그러나  이 압력에서 포화온도가 95도 이므로 95~115도 상태의 스팀은 모두 과열상태의 Steam이지요. 

115도의 Steam은 응축이 일어나지 않지만 현열을 방출하면서 95도 포화스팀이 되고 잠열을 방출하고나면 95도의 포화응축수가  되고 온도가 가열기 표면에서 머물면서 온도가 더 떨어지면 90도도 떨어질 수 있습니다.

(2) 대기압보다 낮은 상태에서 95~115도 상태의 스팀은 Subcooled(?) Steam이 아니고 Superheated Steam에 해당합니다.  포화(응축)온도가 95도이기 때문이지요.  열손실이나 마찰손실이 없이 압력만 떨어지면 엔탈피는 동일하지만 저압상태에서의 과열스팀이 되는 것이지요.  그리고 나서 잠열을 방출하려면 포화온도 95도까지 더 온도가 내려가야됩니다. 

이때 Seam의 전체 상태변화 과정을 4단계로 나눠보면 다음과 같습니다.

i) 열교환없이 120도 1KG Steam이 115도 -0.15 KG 로 압력과 온도가 떨어지는 과정이 단열팽창(Adiabatic Expansion) 과정이고
ii) 이어서 115도에서 열을 방출하면서 95도로 온도가 내려가는 과정은 기상냉각 (Desuperheating) 과정에 해당합니다. 
iii) 이제 포화온도 95온도에 이르러서 Steam의 응축수로  상변화하는 과정이 응축(Condensation)과정,  그리고
iv) 95도에서 응측된 후 액상에서 온도가 더 떨어지는 과정이 과냉(Subcooling) 과정에 해당합니다.

i)은 단열과정, ii), iv) 현열 방출과정, iii)은 상변화 과정인데 이중 대부분의 열량이 iii)의 과정에서 방출됩니다

(3) 결론적으로 부분진공이 걸린상태에서 스팀이 응축하고 있고 응축온도는 해당 압력에서의 포화온도 (여기서는 95도)가 됩니다.  모든 과정은 -0.15 KG의 압력이 걸려있는 상태 즉 부분진공이 걸려있는 상태에서 일어나고 있는 것입니다.

그래도 설명이 부족하다 생각되는 부분이 있다면 서슴지 마시고 추가 질문 바랍니다.
휘혼 clarose   19-01-29 06:19
자세한 답변 정말 감사드립니다!
사실 제가 궁금한것은 부분진공이 왜 일어나냐 였습니다.
처음 답변글에 말씀해주셨던 "Steam이 응축된 후에 Subcooling이 되면서 100도 이하로 온도가 떨어지면 그때부터 진공이 걸리게 됩니다." 을 보면 온도가 떨어짐으로 인해서 부분진공이 일어나는 것 같이 말씀을 해주셨었는데,
이번 답변글에는 부분진공이 먼저 일어나고 그로 인해서 sat.T.가 떨어지고 나서 Subcooling 이 일어나는 것 같이 설명해주셔서 약간 헷갈립니다.
닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 일수도 있을 것 같은데 부분진공이 일어날수 있는 이유가 궁금합니다.
설명해주신 부분은 덕분에 자세히 이해할수 있었으나,
기존 Rating이 Fouling margin이 과다하거나 Turn down 운전하여서 Area가 과다하게 남을 때
LP steam이  급격하게 Condensing을 하면서 어떻게 Partial Vacuum까지 일어나는지는 아직도 잘 모르겠습니다.
Stefano    19-01-29 10:52
(1) 우선 지지난번 설명을 보충설명하면..
<"Steam이 응축된 후에 Subcooling이 되면서 100도 이하로 온도가 떨어지면 그때부터 진공이 걸리게 됩니다." >
==>Steam이 응축되고 나서 Subcooling이 일어나더라도 100도이하로 온도가 내려가지 않으면 (100도 이상의 온도에서는 물의 증기압이 대기압 이상이 되므로) 진공이 걸리지 않지요.. 그러나 응축 후 온도가 100도 이하가 된다면 스팀측의 온도는 그 온도에 해당하는 증기압만을 나타내기 때문에 대기압에서 해당 증기압만큼을 뺀 차이가 부분진공으로 나타난다는 것을 설명한 것입니다.

(2) 위 설명에서 부분진공이 발생하는 조건은 반드시 <100도 이하로 Condensate의 온도가 낮아질 때>임을 알 수 있습니다.
부분진공이 먼저냐 Subcooling이 먼저냐를 굳이 구분하고 싶다면 Subcooling이 먼저라고 분명히 해 둘 수 있습니다.  Subcooling이 되지 않으면 부분진공이 될 수가 없기 때문이지요.  Subcooling 상태의 온도에서 나타내는 Steam과 LPG의 온도차에서 전열되는 속도 만으로도 열교환이 충분하기 때문이지요.

Steam측에 압력이 걸린상태로 응축이 되고있는 상태에서는 응축수의 온도는 100도 이상을 유지하게 되고 그 상태에서는 진공이 걸릴이유가 없습니다.    그러나 부하의 증가로 인하여 LPG 증발량이 줄어들 경우 Steam Valve를 줄여운전 하게 됩니다.

LPG 증발량이 더욱 줄게 되면 Seam Valve를 더욱 줄여 운전하게 되고 그 상태에서 안정화 되면 응축되는 스팀과 공급하는 스팀의 유량이 같아져 일정한 압력을 나타내게 됩니다.  이렇게 부하가 줄어들어 안정화 된 상태에서 Steam 압력이 0 KG라면 정확히 Condensate온도 100도를 나타내겠지만,  만일 Steam 압력 -0.15KG와 같이 부분진공상태가 된다면 Condensate 온도도 100도 이하로 떨어져 운전되고 있음을 추정할 수 있습니다. 
 
(3)  <...기존 Rating이 Fouling margin이 과다하거나 Turn down 운전하여서 Area가 과다하게 남을 때
LP steam이  급격하게 Condensing을 하면서 어떻게 Partial Vacuum까지 일어나는지..>

이제 열교환기 문제를 검토해 보기로 하지요.  열교환기의 전열량(kcal/h)을 수식으로 나타내면 
Q = U * A * LMTD.......(1)로 나타낼 수 있는데

Fouling Margin을 크게 했다는 뜻은 Fouling이 많이 되었을 때에도 운전에 지장이 없도록 U값을 낮게 취함으로써 전열면적 A를 을 크게 늘여놓았다는 뜻입니다.    이 때 LMTD는 일정하다고 본 것입니다.

만일 U와 A가 일정하다고 하면 Q는 LMTD에 비례하게 됩니다.  LMTD는 가열매체와 피가열매체의 온도차로부터 계산되는 대수평균온도차에 해당합니다.  LPG Vaporizer의 경우 가열매체는 Steam, 피가열매체는 LPG이고 양쪽 모두 상변화에 의해 전열이 일어나기 때문에 대부분의 전열이 Steam의 응축온도와 LPG의 증발온도에 의해 결정됩니다.

일반적으로 Steam측의 압력은 저부하시에도 진공이 걸리지 않게 설계가 되어야 합니다.  그렇지 않으면 응축수가 Trap을 빠져 나오지 못하기 때문입니다.  어쩔수 없이 진공상태로 운전이 되어야 한다면 Condensate Dicharge Pump를 사용하여 Condensate를 배출시키지 않으면 연속, 정상운전이 될 수 없지요

(4) 질문과 관련된 LPG Vaporizer는 현재 Turn-down이 너무 많이 일어나고 있는 상태에 해당합니다. 

부하감소가 클때 (1)식에 의한 전열량을 줄이기 위해서는 LMTD를 줄이는 수 밖에 없습니다.  U와 A는 운전중 손댈 수 있는 조작변수가 아니기 때문입니다.  그렇다고 저부하시 LPG가 증발되는 압력(혹은 온도)를 높여 운전할 수도 없는 모양입니다. 

따라서 부하가 줄어들면 Steam의 응축온도를 낮추는 수 밖에 없습니다.  Steam의 응축온도를 낮추는 방법은 공급 Steam의 압력을 낮추는 일입니다.  공급 Steam의 압력을 낮추려면 공급 Steam의 양을 줄이면 됩니다.  공급Steam의 양을 줄이면 유량이 응축되는 Steam의 유량과 같아지는 압력으로 자동적으로 안정화 됩니다.  Steam Valve가 줄여져 있는 그 상태로 안정화 됩됩니다.  해당 Steam Control Valve가 아마 LPG Vaporizer 압력을 감지해서 조절하도록 되어 있다면 줄여져 있는 Steam Valve 상태가 안정화 된 후 계속 그 Valve Position을 유지하게 됩니다.   

이 때 그 안정화 되어 있는 상태에서 Steam측 압력이 대기압 이하라면 Condensate 온도가 반드시 100도 이하일 것이고 반대로 Condensate 온도가 100도 이하라면 Steam의 압력은 반드시 대기압 이하, 즉 부분진공이 걸리는 상태일 것입니다.  여기서 달걀이지 닳이니 구별할 이유가 없지요. 

이미 앞서 설명한 바 있지만 굳이 구별하고 싶다면..  부하감소로 LMTD로 줄여야 할 필요가 있고 그러자면 Steam의 응축온도를 낮추어 주어야 하고 그리하기 위해 운전자(혹은 제어계)가 조작해야 할 사항은 Steam Control Valve가 되는 것이지요.  부분진공이 걸리려년  그보다 앞서 응축온도가 먼저 낮아져야 하는데 응축온도가 100도보다 낮아졌을 때에만 진공이 걸리는 것이지 100도 이상이라면 부분진공이 걸리지 않지요.

(5) <..LP steam이  급격하게 Condensing을 하면서 어떻게 Partial Vacuum까지 일어나는지는...>
==> LP Steam이 급격하게 Condensing 된다고 해서 Partial Vacuum이 생기는 것은 절대로 아닙니다.  응축속도가 문제가 아니라 응축되는 온도가 중요합니다. 또 다시 반복하지만.. 아무리 빨리 Steam이 응축되어도 100도 이상에서 응축되고 있다면 절대로 부분진공이 나타나지 않습니다.

(6) 현장에서....
System상 혹은 운전조작상 문제되는 것이 구체적으로 무엇이며 가장 먼저 해결해야 할 사항이 무엇인지 소개해 주시면 답해드리겠습니다.
휘혼 clarose   19-01-29 16:59
자세한 답변 정말 감사드립니다.
자세한 답변으로 말씀 하신 부분의 대부분은 이해가 되었습니다.
그러나 저의 부족함으로 인하여 아직 한 부분을 잘 모르겠습니다.

언급하여 주신 부분중에,
"Steam이 응축된 후에 Subcooling이 되면서 100도 이하로 온도가 떨어지면 그때부터 진공이 걸리게 됩니다."
100도 이하의 sat. T.를 가지는 sat. steam은 partial vacuum 상태라는 것은 알고 있는데요,
제가 이해가 되지 않는 부분은 1 kg/cm2G&120'C 의 sat steam이 들어오는데, 90'C의 condensate와 만나서 steam이 단열팽창 한다는 부분이 잘 이해가 되지 않습니다.

단적으로 동그라미 하나를 계 라고 놓고 본다면 원의 30% 가량이 condensate로 차 있는데
1 kg/cm2G&120'C 의 sat.steam이 1 kg/cm2G&90'C 의 condensate와 맞닿게 된다면, steam이 sat.T.인 120'C 상태에서 condensing 되어서 120'C의 condensate가 된다음에 90'C로 떨어지는 것으로 생각하고 있었는데,
그렇지 않고 Condensate의 온도를 따라서 90'C의 sat.P. (-0.318 kg/cm2G)로 단열팽창을 먼저 한다는 것이 제머릿속에서는 미시적으로 잘 그려지지 않습니다.
이 부분에 대한 가르침 부탁드리겠습니다.
스테파노 Stefano   19-01-30 15:23
(0) 필자의 글을 차근차근 잘 읽어보세요.  질문에 대한 답글을 기대하고 있다면 질문한 내용에 대한 답을 잘 경청하면서 이해할 필요가 있습니다.   

<1 kg/cm2G&120'C 의 sat steam이 들어오는데, 90'C의 condensate와 만나서 steam이 단열팽창 한다...>라고 설명한 내용은 없습니다.  이는 스스로 연상하고 있는 내용이고.. 또,

<..Condensate의 온도를 따라서 90'C의 sat.P. (-0.318 kg/cm2G)로 단열팽창을 먼저 한다..>라고 설명하지도 않았는데 그리 지레짐작하고 있습니다.  그러니 엉뚱한 길로 점전 빠져 들어가고 있습니다.  필자의 답글을 맨 처음부터 다시 읽어내려 오도록해 보세요.

(1) 질문에서 없었던 키워드 <단열팽창>이라는 용어를 도입한 이유는 Steam이 유입되어 온도가 내려가는 현상을 설명하기 위해 언급한 것입니다.  <단열팽창>을 처음 언급할 때,
 
1월28일자 답글(2)의 i)에 <열교환없이 120도 1KG Steam이 115도 -0.15 KG 로 압력과 온도가 떨어지는 과정이 단열팽창(Adiabatic Expansion) 과정이고...>라고 설명한 바 있습니다.

(2) 추가 질문에 대해 답합니다.

질문내용과 관련된 계에서,  <단열팽창> 현상은 언급한 "계"에 Steam이 들어오는 과정에서 단열팽창이 일어나는 것이지요. 1 kg/cm2 G의 압력이 Control Valve를 거쳐 Vaporizer에 들어오는데 공급되는 압력이 밸브를 거치면서 <단열팽창>이 일어나게 됩니다.  일반적으로 단열팽창을 하게되면 열교환없이도 온도가 떨어지는 현상이 나타나는 것을 열역학에서 접하였을 것입니다.  열교환이 없이 이상기체를 압축하거나 팽창하는 경우 절대온도와 절대압력과의 관계는 다음 수식으로 나타낼 수 있습니다.  이 식만으로도 압력이 떨어지면 온도가 함께 떨어지는 현상을 설명할 수 있습니다.

(T2/T1) = (P2/P1)^(1-1/γ) ......................(2)    γ =isentropic exponent

(3) <1 kg/cm2G&120'C 의 sat.steam이 1 kg/cm2G&90'C 의 condensate와 맞닿게 된다면, steam이 sat.T.인 120'C 상태에서 condensing 되어서 120'C의 condensate가 된다음에 90'C로 떨어지는 것으로 생각하고 있었는데,...>
==> Steam이 공급되어 온도가 떨어지는 과정은 이미 1월 28일자 답변(2)에 자세히 설명되어 있습니다.  다시 설명합니다.

① 120도 1KG Steam-->②Valve 통과, -0.15 KG, 115도 (가정한 압력과 온도, 이하 동일)로 단열냉각-->③가열기 표면에서 현열을 방출하고 응축온도 95도에 도달 -->④응축온도 95에서 응축하면서 잠열 방출 -->⑤응축수가 가열기 표면에 머물면서 95도 이하 온도로 과냉(Subcooling) -->⑥과냉된 응축수가 Vaporizer에서 빠져나갑니다.  (부분진공 상태인데 어떻게 응축수를 배출하고 있는지 질문내용에는 전혀 설명되어 있지 않습니다.)

이 과정에서 부분진공이 나타나는 과정과 그 이유는  ③,④의 과정입니다.  이미 진공이 걸려있게 되는 이유에 해당합니다.  이미 진공이 걸려있는 곳으로 밸브를 통과하자마자 -0.15KG가 됩니다.  이 과정에서 온도가 바로 95도까지 떨어지는 것이 아니라 115도로 떨어진 후 열을 방출하면서 Desuperheating 되어 (포화온도) 95도에 도달한 다음 응축이 일어납니다. 응축되면서 부피가 줄어들게 되는데 온도가 100도 이하이기 때문에 대기압이하의 압력, 즉 부분진공이 걸린 것입니다.

(4) 마지막으로... 질문내용과 관련하여..
 
필자의 지난번 답글 마지막 부분 <System상 혹은 운전조작상 문제되는 것이 구체적으로 무엇이며 가장 먼저 해결해야 할 사항이 무엇인지...>에 대한 답변 내용이 올리오지 않아 여전히 궁금합니다.  과연 무슨 어려움이 있습니까?  이에대한 답을 먼저 해 주세요,
휘혼 clarose   19-01-31 16:43
제가 스테파노님의 설명을 현재 상황과 연결시켜서 생각하여 잘못 이해한것 같습니다.
제가 말씀드린 1 kg/cm2G&120'C 의 sat.steam 은 CV를 지난후의 상태를 말씀드린것인데 스테파노님께서는 1 kg/cm2G 의 steam이 CV를 지나서 -0.15 kg/cm2G 으로 단열팽창을 한다고 말씀하신 거였군요...

현재 상황을 말씀드리자면 Steam 압력은 원래는 4 kg/cm2G 로 공급이 되어야 합니다.(Header 압력은 그이상이고 정상운전시에는 CV를 지나서도 4 kg/cm2G 로 열교환기에 들어옵니다.) 그러나 현재 Turn down 운전인 관계로 CV를 지나면서 대략 1 kg/cm2G 정도로 떨어지게 되는데 이부분에 대한 P. sensing은 없으며 CV 후단 T. sensing(122도)을 통해 대략적으로 유추하였습니다. 열교환기를 지나고 Condensate line의 Pressure guage는 1.2 kg/cm2G 정도이고 Temperature는 대략 50도 정도로 subcooling 되어 나오게 됩니다. LPG의 경우 첫글에서와 같이 -46도에서 들어가서 20도로 나오는것이 design 수치이고 Turn down 운전시 35도 정도까지 올라서 열교환기를 나오게 됩니다.

현재 문제가 생기는 것은 저 상태로 운전되다가 결국에는 Tube leakage가 생긴다는 것이고 문제의 원인이 잘 파악이 되지 않는다는 것입니다. 아마도 Channel 내에 Level이 차서 Tube 안에 있는 condensate가 얼었던 것이라 유추할수 있는데, Condesnaste가 잘 빠져나가지 못하고 channel에 차는 이유중에 steam이 초저온의 유체와 만나면 급격하게 condensing을 하면 vaccum이 일어날수 있다고 들었기 때문입니다. 그와중에 스테파노님께서 압력이 떨어지는 얘기를 해주셨지만 제 생각에 이미 CV를 지난 steam이 단열팽창을 한다는것이 이해가 되지 않았고 그 부분을 계속 여쭤보았던 것입니다.
또한 추가적으로 현재 Steam control을 해서 Turn down load를 맞추기 위해서 CV에서 많은 pressure drop이 걸려서 열교환기 내에서 Vacuum이 일어나게 되는것 같은데 그렇다고 Condensate control을 하자니 Condensate가 차게 되면 -46도의 Propylene과 만나서 또 icing이 발생할 가능성이 있기에 두 control 모두 Turn down을 하기에는 무용지물로 생각이 되고 있습니다. 어떻게 해야 문제가 생기지 않고 turn down 운전을 할수 있을까요?

그렇다면 현재 문제가 발생하게 된 원인이 과다한 Turn down으로 인한 CV의 감압으로 인하여 적정 LMTD가 Partial Vacuum이 일어나는 온도까지 떨어진것으로 볼수 있을까요? 그렇다면 Channel에 Level이 차지 않아야 하는데 Level이 찬 이유는 condensate 압력이 Condensate Header 압력보다 떨어져서 빠져나가지 못해서 차게되고 LPG의 낮은 온도로 인해서 icing이 생기는걸로 볼수 있을까요? 그렇다면 처음에 Partial Vacuum이 일어나게되는 가장 큰이유는 CV에서의 감압이 문제였던 것이라고 볼수있는것이겠군요...
사실 이 생각을 못했던게 예전에 트러블슈팅할때 CV를 풀오픈 시켜서 Header 압력(4kg/cm2G 이상)으로 공급했음에도 후단에 같은문제가 지속되었다고 했었기 때문에 Vacuum이 일어난 원인을 다른데서 찾으려고 했기 때문인데요.. 실제로는 오작동으로 인하여 풀오픈이 안되었을 가능성이 크겠네요...

계속 질문드려서 죄송하고 자세한 답변 감사드립니다.
스테파노 Stefano   19-01-31 17:44
(0) 의사(?)가 잘 진단할 수 있으려면 증상을 잘 이야기 해 주어야 합니다. ^-^

(1) 잘 설명해 주셨습니다. 해당 LPG Vaporizer는 전열면적이 충분히 커서 약간의 Steam 만으로도 부하를 감당할 수 있는 것으로 보입니다.  정상운전 시에는 문제가 없으나 저 부하시 Steam 측 압력이 낮아져 Condensate 배출이 잘 되지 않는 다거나 심지어 진공이 걸리는 현상으로 빙결되는 문제가 발생하고 있었던 것으로 보입니다. 

Condensate 빙결은 최악의 상태에 해당하며 이로인해 Tube 누설로 인한 공정사고도 발생할 위험이 있다고 봅니다.

(2) 현재까지 설명했던 내용을 포함해서 종합적으로 간추리면 다음과 같습니다.

1) 공급스팀의 압력이 얼아이든간에 (4KG 혹은 1.2KG)이건 Control Vale를 거치면서 Steam Chambe안에 들어오면 압력이 떨어지면서 단열팽창을 일으킵니다.  (스팀공급라인중 Control Valve에서의 차압이 가장 큽니다.)  응축온도가 100도 이하라면 부분진공상태이 될때까지 압력이 떨어집니다.  (전열과정없이 단순히 압력팽창만으로도 온도가 떨어지는데 이 현상을 "단열팽창"에 의한 온도저하입니다.  그러나 여기서의 압력차는 크지 않아서 단열팽창에 의한 온도강하는 그리크지 않아 문제되지 않기 때문에 거북스러울지도 모르는 "단열팽창"이라는 단어는 이제부터 언급할 필요가 없습니다.)

2) 시스템의 근본적인 문제는 Condensate가 평상시에도 배출이 어렵다 것...으로 추정됩니다.

Steam 응축온도가 100도 이하인 경우라면 Condensate Collection Tank가 Vaporizer 바닥에 설치되어 있어도 자연 배출될 수 없습니다.  50도까지 Subcooling 되는 경우라면 더더군다나 Steam의 압력은 고사하고 부분진공이 걸리게 되어 Trap의 차압을 이기고 배출되지 않으며 중력식 자연배출조차 되지 않습니다. 

3) 근본적 문제는 전열면적이 너무 커서 발생한 문제인데...

전열면적이 너무 큰 경우 부분적으로 Tube Channel의 일부를 차단할 수 있으면 부분차단하는 것이 가장좋은 해결책입니다.  Heating Coil이 Header에서 3~4개로 나뉘어 Vaporizer로 유입되고 각각을 Valve로 차단해 둘 수 있고 Steam 측을 완전히 Drain 해 둘 수 있다면 부분적으로 Steam 공급라인을 닫고 부하가 늘어날 경우 열어주는 방법이 가장 좋은 해결수단인데,  설계시부터 그리 되어있고 시공도 그리되어 있다면 그렇게 운전하는 것이 좋을 것입니다.  (실제로.. Steam 공급 Channel이 여러개로 분리되어 있는지 확인해 보세요. 그렇다면 문제해결은 아주 간단해지지요. )

4) 공급 Steam을 부분적으로 차단할 수 없는 경우라면..
Steam 측에 부분진공이 걸리게 되면 일부러 진공이 걸리지 않도록 Vent Valve를 약간 열어두고 운전하는 방법입니다.  이 때 Condensate는 Trap을 통해 배출되지 않을 것이므로 Condensate를 대기압탱크로 받아내고 별도의 펌프를 사용하여 응축수 회수장치로 보내야 합니다.  부하가 늘면 이 Vent Valve는 닫아주어야 하겠지요.

5) Condensate Collection Header가 Vaporizer Condensate 배출 Nozzle보다 높게 설치되어 있다거나 회수라인에 배압이 걸려있는 경우라면 Condenate 회수드럼과 응축수 이송펌프를 별도로 설치하여 Condensate 회수장치로 보내도록 시설을 변경해야 할 것입니다. 

6) 절대적으로 Condensate 압력이 낮은 경우 Condensate Trap을 Bypass시켜 Condensate를 모으도록 하는 Condensate Drum을 별도로 두고 이로부터 여기에 Water-Seal Vacuum Pump를 설치하여 Condensate를 뽑아내고 Condensate Drum에는 Level Controller를 달아  Condensate 배출량을 조절할 수 있도록 시스템을 수정하는 것이 필요합니다. 

(3) 종합적으로 정리하면...
응축수 온도가 낮아 Steam Chamber에 부분진공이 걸리거나 Condensate 압력이 낮아 Trap을 작동할 수 없는 상태로 보이기 때문에 Condensate를 배출할 수 있는 시스템의 수정이 불가피해 보입니다.

해당시설이 경인지방에 있다면 Stefano가 출장하여 진단하고 해결책에 관하여 무료로 도움을 드릴 수도 있습니다.  머뭇거리지 마시고 연락주세요. (연락처 010-4586-6332 스테파노)
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