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  열교환기(증기-물) 설계 시, 최대 증기 온도
  글쓴이 : kookuei   고유ID : kookuei     날짜 : 20-01-09 16:02     조회 : 286    
안녕하세요?
지역난방 열교환기(Shell & Tube, 2-Zone(Condensing Zone, Subcooling Zone)) 설계 시 궁금한 사항이 있습니다.
지역난방수는 65 degC -> 120 degC 기준입니다. 가열매체는 증기터빈에서 추기하는 증기를 사용합니다.
증기터빈에서 추기하는 증기의 온도는 정상운전시 200 degC 정도이고, 터빈의 부분부하 운전에서는 꽤 높이(300 degC 정도) 올라가는 것으로 확인 했습니다. 사례조사를 해보니 열교환기에 공급되는 증기의 온도를 160 degC 혹은 180 degC 까지 desuperheater를 통해 내려서 공급하는데 기준을 모르겠습니다.
참고로, 물/증기의 2.5 bara 에서의 포화온도는 약 127 degC 이며, 4.5 bara 에서의 포화온도는 약 148 degC 입니다.
질문) 열교환기의 증기공급 라인에 desuperheater를 설치할 때 기준이 있을까요? 포화온도 + 30 ~ 50 degC 와 같은 기준을 찾을 수 있는 문헌이 있는지 궁급합니다. HEI, TEMA는 나름대로 뒤져봤는데 관련내용이 없는 것 같습니다.

스테파노 Stefano   20-01-09 19:18
(1) Steam Turbine Extraction Steam은 배출압력에서 포화증기가 아니라 과열증기 상태로 배출될 것입니다.  이 스팀은 터빈용으로 사용할 수는 없지만 열교환기를 사용해서 지역난방용 열수를 가열기로 사용할 수 있으려면 포화스팀으로 만들어 줘야 합니다.

질문의 내용이... <과열증기를 포화증기로 만들어 주기위해서는 액상의 물을 미량 주입하는 Desuperheater를 사용해야 하는데 열교환기에 사용할 수 있으려면 Desuperheater 출구온도가 몇도가 적당한가?>를 묻는 것인데...

열교환기에 과열증기가 공급되면 온도가 높더라도 응축이 잘 일어나지 않기 때문에 열교환기 능력이 오히려 떨어집니다. 

열교환기의 전열량은  Q= U*A*LMTD......(1)  로 계산이되는데 LMTD(Log-mean-temperature-difference)가 크더라도 U (열전달계수)가 작으면 전열량(Q)을 얻을 수 없습니다.  왜냐하면  과열증기라면 (포화증기가 아니기 때문에) 가스상태의 열전달이 일어나기 때문에 액상에서의 열전달 계수에 비해 크게 (1/5~1/10 정도로)떨어지기 때문입니다. 

(2) 160도가 적당한가 180도가 적당한가는 열교환기 내에 Subcooling Zone이 얼마나 할애 되어있는가에 달려 있습니다.  만일 충분한 Subcooling Zone을 가지고 있다면 과열도가 좀 높아도 되지만 Subcooling Zone이 없다면 포화증기로 공급해야 하고 그렇지 않다면 적당한 타협점까지 과열도를 가진 열교환기로 사용할 수가 있습니다. 

이 Subcooling Zone의 Area는 설계시 미리 정해두는데 이는 Data Sheet에 나타나 있는 설계조건을 적용한 것으로 Turbine Extracting Steam의 온도를 그 열교환기의 설계 온도조건에 맞는 온도에 이를 때까지의 Desuperheating을 해야 제성능을 발휘할 수 있게되지요.

전체 전열량 Q(=Q1+Q2)중에서  Desuperheating 열량 Q1,  Condensing 열량 Q2 을 계산해 보고,
열교환기 내에서 공급 과열증기온도 T1,  포화응축 스팀온도 T2,  포화응축수 온도 T3,  난방열수 열교환기 입구 온도 t1, Condensing Zone 열수온도 t2,  난방열수 출구온도 t3라고 하면  열교환기 내에서의 LMTD를 Zone으로 나누어 각각 Condensing Zone LMTD1,  Desuperheating Zone LMTD2  라고 하면  가중평균 (LMTD)_weighted

 (LMTD)_weighted = { (LMTD1*Q1) + (LMTD2*Q2)  }/(Q1+Q2)  .............(2)

도 점검해 보고,  열교환기 Data Sheet에 이 LMTD값을 얻기 위한 T1의 온도를 계산해 보세요.
kookuei kookuei   20-01-09 22:13
답변 감사합니다.! 추가 질문입니다.

(2) 아직 초기 설계단계(heat balance 작업 중)로 열교환기의 각 zone은 정해지지 않았습니다.

shell side subcooling zone 출구의 온도를 T4라 하고 T4 - t3를 DCA(drain cooling approach)로 하겠습니다. HEI 기준으로 이 DCA를 5.6 degC로 sizing하고 있습니다. 이 subcooling zone의 설계와 desuperheater 출구온도의 상관관계를 잘 이해하지 못하고 있습니다.

(1)에서 언급해주신 바와 같이 desuperheater 출구의 적절한 타협점이 질문이 요지입니다. 포회온도 +30~50 degC가 적절해 보이나 근거가 되는 자료가 없어 고민입니다. 응축이 일어나는데 문제가 없다고 여겨지는 최대 온도가 궁금하고 관련 문헌이 있는지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   20-01-11 02:06
(1) 난방열수는 상변화가 없으므로  정해진 유량에 온도차만 달라지지만 ( 별도의 Desuperheate를 거쳐 왔다고 해도) 가열용 스팀이 과열되어 있다면  가열기 내에서 일단 Desuperheating이 일어나고나서 응축이 일어납니다.  응축이 일어나는 곳에서의 온도는  바로 포화온도온도이고 그 온도로 일정합니다.

난방열수 온도변화기준  전체전열량:  Q = m_cw * Cp_hw * Δt_hw  = Q1 + Q2 .........(1),  Δt_hw=120-65, Q1, Q2는 아래의 수식으로 계산   
난방열수의 Steam Desuperheating Zone에서의 흡수전열량  Q1 = m_cw * Cp * (t2-t1)....(2) t1=65,  t2=과열스팀의 온도에 의해 결정
난방열수의 Steam Condensing Zone에서의 흡수전열량        Q2 = m_cw * Cp * (t3-t2)...(3)  t3=120,  t2는 과열스팀의 온도에 의해 결정

Steam의 전체전열량 Q = Q1 + Q2 ...............................(1)  전체 전열량은 동일하고 구간 전열량도 동일
Steam의 현열 방출전열량 Q1 = m_steam  * Cp_steam * Δt_steam ....................(4)  과열스팀의 현열방출열량
Δt_steam=과열Steam온도 T1-포화온도 T2
Steam의 잠열 방출전열량 Q2 =  m_steam * λ_steam  .......................................(5)  포화스팀의 잠열전열량

Seam이 응축되고 나서 과냉되기도 하는데 과냉량은 무시할 수 있을 것입니다.

위의 관계식을 이용하여 t2의 온도를 계산할 수 있고 Steam 응축온도는 Steam 압력에서 응축되는 온도(T2=T3)가 됩니다.

(2) 각 위치에서 열수온도와 포화온도 및  Q1, Q2가 구해지면 각 구간에서 LMTD를 구할 수 있고 이로부터 Weighted LMTD를 구할 수 있습니다. 

실제 열교환기 설계에서는 열수의 Pass 수효에 따라 추가로 LMTD Correction Factor를 적용하여 이용합니다. 

(3) 참고문헌은 수많은  열교환기 설계서적이나 발행된지 아주 오래된  D.Q. Kern의 Process Heat Transfer가 있습니다.
환장해 onni22   20-01-19 17:58
지역난방의 열원(Aux steam or Extraction steam)은 1차 보일러, 복합발전의 Steam 터빈이 주로 많이 사용되는 부분이라고 가정하고 설명을 드리겠습니다.


1) 온도 조건 180도의 설정이유
 - 지역난방 계약서 등에는 지역난방사업자의 요구를 먼저 언급하며 이에 따라 증기조건을 맞추어 공급하게 되어 있습니다. 일반적으로 계약요구에 열교환기 Thermal stress를 줄이기 위해 180도 온도를 넘지 말라는 조건이 있습니다. 국내/해외 모두 유사한 형태라 이 업계의 통상적인 조건으로 보면 될 것 같습니다.

    또한 수십년을 올라가 지역난방의 개념이 한국보다 좀 더 앞선 유럽의 시스템을 보면 통상 150 psig(10barg)이 설계압력이 마지노선이였고 이 때의 포화온도와 이 당시 보일러 타입을 생각해 보면 예전부터 내려오던 설계기준의 산물이 아닐까 하는 추정도 해봅니다.



2) Desuperheater의 증기조건
- 위 열원을 공급하는 것은 DH Heater를 사용하는 지역난방공급자가 아닌,  열원공급자(발전소/보일러 설계나 EPC사)의 기준을 따르게 됩니다. 발전시스템에서는 증기가 포화증기보다 30~50도( 해외유명설계사들은 F 온도 기준적용)  높아야 응축수가 생기지 않는다는 기준으로 설계하기 때문에 실제 DH Heater로 공급되는 증기압력에 +30~50 섭씨온도를 고려하면 현재 180도가 나올 겁니다. 이 때 열원은 단일소스가 아니라 발전소 내부라면 발전소 자체 부하가 낮아진 경우에도 DH Heater에는 동일한 열원을 계속 공급하기 위해서 일반운전보다 높은 압력소스에서 감압하고 온도를 낮추어 DH Heater로 열원을 공급하는데 이러한 경우를 위해서라도 설계점이 되는 온도와 압력은 필요할 것입니다.


3) ??
 - Subcooling outlet temperature(DCA)와 Steam source incoming temperature(Desupterheater outlet)의 직접적인 연관관계는 없습니다. TEMA / HEI에도 나와있지만 현실적인 조건으로 DCA 5.6도(10F)조건에 해당하는 Condensing zone의 Saturation temperature = Saturated Pressure보다 Desuperheater 온도가 높기만 하면 됩니다. 다만 Desupterheating 온도가 높다면 불필요하게 열교환기의 설계온도가 높아지는 부분과 열 전달부분에서 손해인 부분이 커지겠지요.

지역난방의 경우 수용자(아파트, 대형빌딩)에서 오는 온도는 통상 계절과 용도에 따라서 달라지게씨만 55~65도 사이를 유지하기 때문에 Desupterheater 온도를 바꾼다고 DCA온도가 크게 바뀌진 않습니다.
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