게시판 > 질답게시판 > 스팀 압력손실에 관해 문의합니다.

스테파노 Stefano

07-08-08 01:02

(1) 장거리 수송되는 스팀은..
과열수증기로 만들어서 수송합니다. 포화수증기의 경우에는 수송도중 열손실이 발생하면 응축수가 발생하기 때문에 고속 수송시 관 내부의 부식과 마모를 유발하게 되지만 과열수증기의 경우 가스와 같은 성질을 가지고 있어서 고속으로 수송할 수 있습니다.

여기서 고속이라 함은 가스 수송 유속정도의 속도를 말합니다. 이 경우 필요한 관의 직경은 사용처에서의 압력을 유지하기 위하여 허용되는 압력손실 범위 이내의 압력차가 되도록 결정합니다.

(2) 스팀의 온도는..
질문에서 스팀의 압력은 나타냈지만 스팀의 온도가 나와있지 않기 때문에 계산이 정확히 되었는지 알 수가 없습니다.
4.5 KG(=kg/cm2 g) 포화스팀의 온도는 154.7도 이지만 이 온도는 포화온도이기 때문에 수송중 응축수가 많이 생겨 유속을 크게 낮게 하지 않으면 안됩니다.

압력은 동일하고 온도만 높여 200도로 한다면 부피는 (200+273.15)/(154.7+273.15)=1.1배 정도로 됩니다.
또한 가스의 점도는 온도증가에 따라 증가합니다. 따라서 과열 수증기의 온도를 얼마로 계산했는지 다시 점검해 보기 바랍니다.

(3) 수계산에 의한 압력손실 계산
(200℃ 가정, 4.5 KG Steam: ρ=Density=2.545 kg/m3, μ=Viscosity=0.0162 cP)
M=Mass Rate=25,000 kg/h, Q=Volume Rate=(25,000 kg/h)/(2.545 kg/m3)=9825 m3/h =2.729 m3/s
D=Pipe Diameter=0.45m, L=관의 길이 1800m, V=Velocity =Q/A=2.729/(π D^2/4)=17.16 m/s

i) Reynolds No =ρ*D*V/μ = 2.245*0.45*17.16/0.0162(0.001)=1.07(10^6),
ii) Fanning Friction Factor, f=0.004
iii) Pressure Drop =4 f*L/D*ρ*(V^2)/2 (kg/m3)*(m^2/s^2)=23980 Pa =0.243 kgf/cm2
iv) 100m당 압력손실 = 0.243/1800*(100)=0.0135 kff/100m

(4) 위는 수계산 결과입니다. 대충 점검해 본 결과 비슷한 결과가 얻어지고 있습니다. 100m당 압력손실을 계산하면 0.0135 kgf/cm2/100 m (0.0585 psi/100ft)가 되는데 이는 일반적인 Steam Main Line Sizing을 위한 Guide 0.115~0.346 kgf/cm2/100m (0.5~1.5 psi/100ft)에 비하면 아주 낮은 편입니다만 저압스팀이기 때문에 사용처에서 필요한 압력에 의하여 허용되는 압력손실에 한계가 있을것입니다.

참고: Steam Piping의 Sizing Guide(35 KG이하)
Main Piping(주관): 0.115~0.346 kgf/cm2/100m (0.5~1.5 psi/100ft)
Lateral Piping(기기공급관): 0.23~0.46 kff/cm2/100m (1~2psi/100ft)

(5) 아래의 표는 여러 배관경에 따른 압력손실을 계산해 본 것입니다.
(온도, 압력 조건은 200℃, 4.5KG, Pipe는 모두 Sch 20을 기준으로 한 것)

12" Pipe Sch20(ID 311.15) 0.38 kgf/cm2/100m 1800m의 전체 압력 손실 1.58 kgf/cm2
14" Pipe Sch20(ID 339.75) 0.30 kgf/cm2/100m 전체 압력 손실 1.23 kgf/cm2
16" Pipe Sch20(ID 390.55) 0.14 kgf/cm2/100m 전체 압력 손실 0.59 kgf/cm2
18" Pipe Sch20(ID 441.35) 0.08 kgf/cm2/100m 전체 압력손실 0.33 kgf/cm2

출구측 압력이 더 낮아도 된다면 16"혹은 14"의 관경을 사용해도 될 것입니다.
결론적으로 1800m 떨어진 곳에서 필요한 압력이 얼마인가에 따라 배관경이 정해져야 합니다.

(1) 장거리 수송되는 스팀은..
과열수증기로 만들어서 수송합니다.  포화수증기의 경우에는 수송도중 열손실이 발생하면 응축수가 발생하기 때문에 고속 수송시 관 내부의 부식과 마모를 유발하게 되지만 과열수증기의 경우 가스와 같은 성질을 가지고 있어서 고속으로 수송할 수 있습니다.

여기서 고속이라 함은 가스 수송 유속정도의 속도를 말합니다.  이 경우 필요한 관의 직경은 사용처에서의 압력을 유지하기 위하여 허용되는 압력손실 범위 이내의 압력차가 되도록 결정합니다.

(2) 스팀의 온도는..
질문에서 스팀의 압력은 나타냈지만 스팀의 온도가 나와있지 않기 때문에 계산이 정확히 되었는지 알 수가 없습니다. 
4.5 KG(=kg/cm2 g) 포화스팀의 온도는 154.7도 이지만 이 온도는 포화온도이기 때문에 수송중 응축수가 많이 생겨 유속을 크게 낮게 하지 않으면 안됩니다.

압력은 동일하고 온도만 높여 200도로 한다면 부피는  (200+273.15)/(154.7+273.15)=1.1배 정도로 됩니다. 
또한 가스의 점도는 온도증가에 따라 증가합니다.  따라서 과열 수증기의 온도를 얼마로 계산했는지 다시 점검해 보기 바랍니다.

(3) 수계산에 의한 압력손실 계산 
(200℃ 가정, 4.5 KG Steam: ρ=Density=2.545 kg/m3, μ=Viscosity=0.0162 cP)
M=Mass Rate=25,000 kg/h, Q=Volume Rate=(25,000 kg/h)/(2.545 kg/m3)=9825 m3/h =2.729 m3/s  
D=Pipe Diameter=0.45m, L=관의 길이 1800m, V=Velocity =Q/A=2.729/(π D^2/4)=17.16 m/s

i) Reynolds No =ρ*D*V/μ = 2.245*0.45*17.16/0.0162(0.001)=1.07(10^6),  
ii) Fanning Friction Factor, f=0.004
iii) Pressure Drop =4 f*L/D*ρ*(V^2)/2  (kg/m3)*(m^2/s^2)=23980 Pa =0.243 kgf/cm2
iv) 100m당 압력손실 = 0.243/1800*(100)=0.0135 kff/100m

(4) 위는 수계산 결과입니다. 대충 점검해 본 결과 비슷한 결과가 얻어지고 있습니다. 100m당 압력손실을 계산하면  0.0135 kgf/cm2/100 m (0.0585 psi/100ft)가 되는데  이는 일반적인 Steam Main Line Sizing을 위한 Guide 0.115~0.346 kgf/cm2/100m (0.5~1.5 psi/100ft)에 비하면 아주 낮은 편입니다만 저압스팀이기 때문에 사용처에서 필요한 압력에 의하여 허용되는 압력손실에 한계가 있을것입니다.

참고: Steam Piping의 Sizing Guide(35  KG이하)  
Main Piping(주관):  0.115~0.346 kgf/cm2/100m (0.5~1.5 psi/100ft)
Lateral Piping(기기공급관): 0.23~0.46 kff/cm2/100m (1~2psi/100ft)

(5) 아래의 표는 여러 배관경에 따른 압력손실을 계산해 본 것입니다.  
(온도, 압력 조건은 200℃, 4.5KG,  Pipe는 모두 Sch 20을 기준으로 한 것)

12" Pipe Sch20(ID 311.15) 0.38 kgf/cm2/100m 1800m의 전체 압력 손실 1.58 kgf/cm2
14" Pipe Sch20(ID 339.75) 0.30 kgf/cm2/100m 전체 압력 손실 1.23 kgf/cm2
16" Pipe Sch20(ID 390.55) 0.14 kgf/cm2/100m 전체 압력 손실 0.59 kgf/cm2
18" Pipe Sch20(ID 441.35) 0.08 kgf/cm2/100m 전체 압력손실 0.33 kgf/cm2

출구측 압력이 더 낮아도 된다면 16"혹은 14"의 관경을 사용해도 될 것입니다. 
결론적으로 1800m 떨어진 곳에서 필요한 압력이 얼마인가에 따라 배관경이 정해져야 합니다.

석이 kjss123

07-08-08 07:29

친절하고도 상세한 답변 너무 감사드립니다.

4.5K 스팀은 포화증기구요 154.9도로 계산을 했습니다.이렇게 계산 했을때 0.0094kg/cm2/100m의 압력 손실이 나왔습니다.그럼 이 값에서 상당길이를 곱하는게 전체 차압이 아닌가요? (5)에서 전체 압력 손실이 어떻게 나온 값인지 잘 모르겠습니다. 마지막으로 16" OR 14"(과열증기 기준)으로 하면 될것 같다고 하셨는데요.. 출구측에서 필요한 스팀 SPEC.은 3.5K이상의 스팀입니다. 그런데 평균 유량이 25T/H이고 최대 37T/H까지 가능한데 18"가 더 적합하지 않을까요.

스테파노 Stefano

07-08-08 21:07

지난 답글(5)항 설명에 1800m의 전체 (상당)길이에 대한 압력손실이 그렇다는 이야기고
질문의 경우 계산에서도 전체길이에 대한 압력손실은 (0.0094 kgf/cm2/100m)*(1800m) =0.169 kg/cm2가 됩니다.

질문에서..최대유량에서 사용처 최저의 압력을 기준으로 배관경을 계산하면 됩니다.
출구에서 압력에 문제가 없다고 하더라도 응축액을 포함한 스팀의 유속은 14"이상인 경우 18~44.2 m/s 정도의 유속이 적당하다고 어느 문헌에서 알려주고 있습니다. 과열스팀이 경우에는 이 유속의 약 두배정도 돼도 문제가 없습니다.