연소공학
노킹현상을 효과적으로 방지하기 위한 기관구조에 대한 설명
1. 연소실을 구형(circular type)으로 한다
2. 점화플러그는 연소실 중심에 부착시킨다
3. 난류를 증가시키기 위해 난류생성 pot를 부착시킨다
4. 연소실을 구형으로 한다
유류버너 중 회전식버너에 대한 설명
1. 분무매체는 기계적 원심력과 공기이다
2. 부하변동이 있는 중소형 보일러용으로 사용된다
3. 분무각도는 45°~90° 이며 회전수는 5000~6000rpm 범위이다
4. 연료유의 점도가 작을수록 분무화 입경이 작아진다
5. 분무는 기계적 원심력과 공기를 이용한다
6. 분무각도는 40~80° 정도로 크며, 유량조절 범위도 1:5 정도로 비교적 큰 편이다
유류버너의 종류에 관한 설명
1. 유압식 버너에서 연료유의 분무각도는 압력, 점도 등으로 약간 달라지지만 40~90° 정도이다
2. 회전식 버너의 유량조절범위는 1:5 정도이고, 유압식 버너에 비해 연료유의 분무화 입경은 비교적 크다
3. 고압공기식 버너는 고점도 사용에도 적합하며, 분무각도가 20~30° 정도이며, 장염이나 연소시 소음이 발생한다
액체연료의 연소장치 중 회전식 버너에 관한 설명
1. 유압식 버너에 비하여 연료유의 분무화 입경이 비교적 크다
2. 연료유는 0.5kg/cm2 정도 가압하며 공급한다
3. 유량조절 범위가 1:5 정도, 분무각도가 40~80° 이다
열적 NOx(thermal NOx)의 생성억제 방안
1. 희박예혼합연소를 함으로써 최고 화염온도를 1800K 이하로 억제한다
2. 물의 증발잠열과 수증기의 현열상승으로 화염 열을 빼앗아 온도상승을 억제한다
3. 화염의 최고온도를 저하시키기 위해서 화염을 분할시키기도 한다
열생성 NOx(thermal NOx)를 억제하는 연소방법에 관한 설명
1. 화염현상의 변경 : 화염을 분할하거나 막상으로 얇게 늘려서 열손실을 증대시킨다
2. 완만혼합 : 연료와 공기의 혼합을 완만하게 하여 연소를 길게 함으로써 화염온도의 상승을 억제한다
3. 배기재순환 : 팬을 써서 굴뚝가스를 로의 상부에 피드백시켜 최고 화염온도와 산소농도로 억제한다
액체연료에 관한 설명
1. 저장, 운반이 용이하며 배관공사 등에 걸리는 비용도 적게 소요된다
2. 단위질량당의 발열량이 커, 화력이 강하다
3. 액체연료는 비교적 저가로 안정하게 공급되고 품질에도 큰 차가 없다는 장점이 있다
액체연료의 장점
1. 회분이 거의 없어 재의 처리를 하지 않아도 된다
2. 점화, 소화 및 연소의 조절이 쉽다
3. 발열량이 높고 성분이 일정하며 효율이 높다
COM(coal Oil Mixture), 즉 혼탄유 연소 특징
1. COM은 주로 석탄과 중유의 혼합연료이다
2. 배출가스 중의 NOx, SOx, 분진농도는 미분탄 연소와 중유연소 각각인 경우 농도가중 평균 정도가 된다
3. 중유보다 미립화 특성이 양호하다
4. 화염길이는 미분탄연소와 비슷하고, 화염안전성은 중유연소와 유사하다
5. Coal oil mixture을 말한다
6. 볼밀 등을 사용하여 기름 중에서 석탄을 분쇄, 혼합하여 제조한다
7. 미분탄의 침강을 막기 위해 계면활성제를 사용한다
석탄, 석유 혼합연료(COM)에 대한 설명
- 유해성분을 포함하고 있으므로 재와 매연처리, 연소가스의 연소실 내 체류시간을 미부탄 정도로 고려할 필요가 있다
COM 연소장치에 대한 설명
1. 화염길이는 미분탄 연소에 가까운 반면, 화염 안전성은 중유 연소에 가깝다
2. 연소실 내의 체류시간의 부족, 분사변의 폐쇄와 마모, 재의 처리 등에 주의할 필요가 있다
3. 중유보다 미립화 특성이 양호하다
미분탄 연소에 관한 설명
1. 반응속도는 탄의 성질, 공기량 등에 따라 변하기는 하나, 연소에 용하는 시간은 대략 입자지름의 제곱에 비례한다
2. 같은 양의 석탄에서는 표면적이 대단히 커지고, 공기와의 접촉 및 열전달도 좋아지므로 작은 공기비로 완전연소가 된다
3. 재비산이 많고 집진장치가 필요하다
4. 점화 및 소화시 열손실이 적다
5. 부하변동에 쉽게 적용할 수 있으므로 대형과 대용량 설비에 적합하다
6. 분쇄기 및 배관 중에 폭발의 우려 및 수송관의 마모가 일어날 수 있다
7. 스토커연소에 비해 공기와의 접촉 및 열전달도 좋아지므로 작은 공기비로 완전연소가 가능한 편이다
연소시 가연물의 구비조건
1. 화학적으로 활성이 강할 것
2. 표면적이 클 것 (기체 > 액체 > 고체)
3. 열전도도가 적을 것 (열전도율 : 고체 > 액체 > 기체)
4. 활성화 에너지가 작아야 한다
5. 화학적으로 활성이 강하고, 산소와 친화력이 클 것
6. 반응열이 크고, 활성화 에너지가 작을 것
7. 표면적이 크고, 열전도도가 적을 것
화염을 유지하기 위한 보염기에 대한 설명
1. 원추형 보염기는 원추의 가장자리에서 말려들게 한 소용돌이에 의하여 주로 보염작용을 행한다
2. 공기유동에 대해 소용돌이를 발생시켜 화염의 순환영역을 만들어 화염의 안정화를 꾀한다
3. 공기유동에 대해 연료를 역방향으로 분사하여 국부공기유속을 화염 전파속도보다 작게 한다
4. 축류형 보염기는 날개의 후방에 생기는 소용돌이에 의하여 주로 보염작용을 행한다
고압 공기식 유류버너(고압 기류식 버너)에 대한 설명
1. 증기압 또는 공기압은 2~10kg/cm2 정도이다
2. 유량의 조절비(turn down ratio)는 1:10 정도이다
3. 무화용 공기량은 이론 공기량의 7~12% 이다
4. 고압 기류식 버너는 분무각도가 20~30° 으로 가장 작다. 기름의 분무각도가 45~90° 인 것은 유압식 버너이다
유류연소 버너 중 유압식 버너에 관한 설명
1. 연료유의 분사각도는 기름의 압력, 점도 등으로 약간 달라지지만 40~90℃ 정도의 넓은 각도로 할 수 있다
2. 대용량 버너 제작이 용이하다
3. 유량조절 범위가 좁아(환류식 1:3, 비환류식 1:2) 부하변동에 적응하기 어렵다
유류연소 버너에 관한 설명
1. 유압분무식 버너 : 연료의 점도가 크거나, 유압이 5kg/cm2 이하가 되면 분무화가 불량하다
2. 회전식 버너 : 연료유 분사량은 직결식의 경우 1000L/hr 이하이다
3. 고압기류 분무식 버너 : 분무각도는 30° 정도로 작은 편이며, 분무에 필요한 1차 공기량은 이론연소 공기량의 7~12% 정도이다
고압기류 분무식 버너에 대한 설명
1. 연료유의 점도가 큰 경유도 분무화가 용이하나 연소시 소음이 크다
2. 분무각도는 30° 정도이나 유량조절비는 1:10 정도로 커서 부하변동에 적응이 용이하다
3. 분무에 필요한 1차 공기량은 이론연소공기량의 7~12% 정도이다
4. 연료분사범위는 외부 혼합식이 3~500L/hr, 내부혼합식이 10~1200L/hr 정도이다
질소산화물(NOx)생성 특성에 대한 설명
1. 연료 중 질소함유량이 낮을수록 Fuel NO 변화율이 증가하는 경향이 있다
2. 화염온도가 높을수록 질소 산화물의 생성은 커진다
3. 배출 가스 중 산소 분압이 높을수록 질소산화물의 생성이 커진다
4. 화염 속에서 생성되는 질소산화물은 주로 NO이며 소량의 NO2를 함유한다
5. 일반적으로 동일 발열량을 기준으로 NOx 배출량은 석탄 > 오일 > 가스 순이다
6. 연료 NOx는 주로 질소성분을 함유하는 연료의 연소과정에 생성된다
7. 천연가스에는 질소성분이 거의 없으므로 연료의 NOx 생성은 무시할 수 있다
페타이어를 연료화하는 주된 방식
1. 액화법에 의한 연료추출 방식
2. 열분해에 의한 오일추출 방식
3. 직접 연소 방식
가연성 가스의 폭발범위에 관한 설명
1. 가스의 온도가 높아지면 일반적으로 넓어진다
2. 가스압이 높아지면 하한값이 크게 변화되지 않으나 상한 값은 높아진다
3. 폭발한계 농도 이하에서는 폭발성 혼합가스를 생성하기 어렵다
4. 압력이 상압(1기압)보다 높아질 때 변화가 크다
등가비(equivalent ratio)와 연소 관계
1. ∅ = 1 경우는 완전 연소로 연료와 산화제의 혼합이 이상적 임
2. ∅ > 1 경우는 연료가 과잉
3. ∅ > 1 경우는 불완전 연소가 발생
4. ∅ < 1 경우는 공기가 과잉인 연소상태이다
5. 공기비(m) = 1/∅ 로 나타낼 수 있다
6. ∅ = 1는 완전연소상태라 할 수 있다
7. (실제의 연료량/산화제) ÷ (완전연소 이상적 연료량/산화제)로 나타낸다
8. ∅ > 1 일 경우는 공기가 부족한 연소상태(연료가 과잉인 연소상태)로 불완전연소에 의해 CO와 HC는 증가하나 NOx의 배출량은 감소한다
9. ∅ = 1 인 경우는 완전연소로 연료와 산화제의 혼합이 이상적이다
10. ∅ > 1 인 경우는 연료가 과잉상태이고 불완전 연소가 발생한다
연료연소시 공기비의 크기에 따른 연소특성
1. 공기비가 너무 작은 경우 매연이나 검댕의 발생량이 증가한다
2. 공기비가 너무 작은 경우 연소효율이 저하된다
3. 공기비가 너무 큰 경우 연소실의 냉각효과를 가져온다
공기비가 클 경우 나타나는 현상
1. 연소실내의 연소온도가 낮아진다
2. 배기가스에 의한 열손실이 증가한다
3. 배기가스 중 SO2, NO2 함량이 많아져 부식이 촉진된다
로타리킬른의 특징
1. 소각전처리가 크게 요구되지 않는다
2. 소각 시 공기와의 접촉이 좋고 효율적으로 난류가 생성된다
3. 여러 가지 형태의 폐기물(고체, 액체, 슬러지 등)을 동시 소각할 수 있다
연료의 종류에 따른 연소 특성
1. 기체연료는 저발열량의 것으로 고온을 얻을 수 있고, 전열효율을 높일 수 있다
2. 액체연료는 화재, 역화 등의 위험이 크며, 연소온도가 높아 국부가열을 일으키기 쉽다
3. 액체연료의 경우 회분은 적지만, 제 속의 금속산화물이 장해 원인이 될 수 있다
4. 기체연료는 액체연료에 비해 적은 과잉 공기로 완전연소가 가능하다
공기비가 클 경우 일어나는 현상
1. 연소실 내 연소온도 감소
2. 배기가스에 의한 열손실 증대
3. SO2, NO2의 함량이 증가하여 부식 촉진
매연발생에 관한 설명
1. 분해가 쉽거나 산화하기 쉬운 탄화수소는 매연 발생이 적다
2. -C-C- 의 탄소결합을 절단하기 보다 탈수소가 쉬운 쪽이 매연이 생기기 쉽다
3. 연료의 C/H의 비율이 클수록 매연이 생기기 쉽다
4. 중합 및 고리화합물 등과 같이 반응이 일어나기 쉬운 탄화수소일수록 매연발생이 잘된다
5. -C-C- 의 탄소결합을 절단하기 보다는 탈수소가 쉬운 쪽의 매연이 생기기 쉽다
6. 탈수소, 중합 및 고리화합물 등과 같은 반응이 일어나기 쉬운 탄화수소일수록 매연이 잘 생긴다
7. 분해하기 쉽거나 산화하기 쉬운 탄화수소는 매연발생이 적다
매연발생 원인
1. 연소실의 체적이 적을 때
2. 통풍력이 부족할 때
3. 무리하게 연소시킬 때
석유의 물리적 성질에 관한 설명
1. 석유의 비중이 커지면 C/H비가 커진다
2. 석유의 비중이 커지면 점도가 증가한다
3. 석유의 비중이 커지면 착화점이 높아진다
4. 석유의 비중이 커지면 발열량과 연소특성은 나빠진다
5. 점도는 유체가 운동할 때 나타나는 마찰의 정도를 나타내고, 동점도는 절대점도를 유체의 밀도로 나툰 것이다
6. 석유의 증기압은 40℃ 에서의 압력(kg/cm2)으로 나타내며, 증기압이 큰 것은 인화점 및 착화점이 낮아서 위험하다
7. 인화점은 화기에 대한 위험도를 나타내며, 인화점이 낮을수록 연소는 잘되나 위험하다
석유의 물성치에 관한 설명
1. 석유류의 증기압이 큰 것은 착화점이 낮아서 위험하다
2. 석유류의 인화점은 휘발유 -50~0℃, 등유 30~70℃, 중유 90~120℃ 정도다
3. 석유의 동점도가 감소하면 끓는점이 낮아지고 유동성이 좋아진다
4. 석유류의 비중이 커지면 탄화수소비(C/H)가 커지고, 매연발생량이 많아진다
5. 경질유는 방향족계 화합물을 10% 미만 함유한다고 할 수 있다
6. 점도가 낮을수록 유동점이 낮아지므로 일반적으로 저점도의 중유는 고점도의 중유보다 유동점이 낮다
7. 석유의 비중이 커지면 탄화수소비(C/H)가 증가한다
석유류의 특성에 관한 설명
1. 일반적으로 중질유는 방향족계 화합물을 30% 이상 함유하고, 상대적으로 밀도 및 점도가 높은 반면, 경질유는 방향족계 화합물을 10% 미만 함유하고 밀도 및 점도가 낮은 편이다
2. 인화점이 낮은 경우에는 역화의 위험성이 있고, 높을 경우(140℃ 이상)에는 착화가 곤란하다
3. 인화점은 보통 그 예열온도보다 약 5℃ 이상 높은 것이 좋다
4. 일반적으로 경질유는 방향족계 화합물을 10% 미만 함유하고 밀도 및 점도가 낮은 편이다
5. 인화점은 보통 그 예열온도보다 약 5℃ 이상 높은 것이 좋다
6. 인화점이 낮을 경우에는 역화의 위험성이 있고, 높을 경우(140℃ 이상)에는 착화가 곤란하다
액체연료의 연소장치인 유압분무식 버너에 관한 설명
1. 구조가 간단하여 유지 및 보수가 용이하다
2. 대용량 버너 제작이 용이하다
3. 분무각도가 40~90° 로 크다
4. 대용량 버너 제작이 용이하다
5. 연료의 점도가 크거나 유압이 5kg/cm2 이하가 되면 분무화가 불량하다
6. 유압분무식버너는 유량조절범위가 좁다
현열(sensible heat)에 관한 용어정의
- 물질에 의하여 흡수 또는 방출된 열이 물질의 상태변화에는 사용되지 않고 온도변화로 나타나는 열
미립화 특성을 결정하는 인자
- 분무유량, 분무입경, 분무의 도달 거리
기체연료의 연소방법
1. 확산연소는 화염이 길고 그을음이 발생하기 쉽다
2. 예혼합연소는 화염온도가 높아 연소부하가 큰 경우에 사용이 가능하다
3. 예혼합연소는 혼합기의 분출속도가 느릴 경우 역화의 위험이 있다
4. 확산연소법의 종류에는 포트형과 버너형이 있다
기체연료의 특징
1. 연료 중에 황 함유량이 적어 연소 배기가스 중에 SO2 발생량이 매우 적다
2. 부하의 변동범위가 넓고 연소의 조절이 용이하며 점화 및 소화가 간단하다
3. 저장 및 수송이 불편하다
4. 기체연료는 석탄이나 석유에 비하여 과잉 공기 소모량이 적다
5. 적은 과잉공기로 완전연소가 가능하다
6. 연료 속의 유황함유량이 적어 연소 배기가스 중 SO2 발생량이 매우 적다
7. 다른 연료에 비해 저장이 곤란하며, 공기와 혼합해서 점화하면 폭발 등의 위험도 있다
8. 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 1기압 하에서 -168℃ 정도로 냉각하여 액화시킨 연료를 LNG라 한다
9. 저발열량의 것으로 고온을 얻을 수 있고, 전열효율을 높일 수 있다
10. 저장이 곤란하고 시설비가 많이 든다
11. 연료 속에 황이 포함되지 않은 것이 많고, 연소조절이 용이하다
12. 연소조절, 점화 및 소화가 용이한 편이다
13. 회분이 거의 없어 먼지발생량이 적다
14. 연료의 예열이 쉽고, 저질연료도 고온을 얻을 수 있다
15. 부하변동의 범위가 넓다
촉매연소법에 관한 설명
1. 배출가스 중의 가연성 오염물질을 연소로 내에서 파라듐, 코발트 등의 촉매를 사용하여 주로 연소한다
2. 일반적으로 구리, 금, 은, 아연, 카드뮴 등은 촉매의 수명을 단축시킨다
3. 대부분의 촉매는 800~900℃ 이하에서 촉매역할이 활발하므로 촉매연소에서의 온도 상승은 50~100℃ 정도로 유지하는 것이 좋다
자동차에 적용되는 삼원촉매가 정화하는 가스 - 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소
연소열을 정성적 및 정량적으로 표현하기 위한 용어에 관한 설명
1. 엔탈피는 어떤 계가 가지고 있는 열함량을 말한다
2. 잠열이란 물질에 의하여 흡수 또는 방출된 열이 상 또는 상태변화에만 사용되고 온도상승의 효과를 나타내지 않는 열이다
3. 엔탈피 변화란 정압에서의 반응열의 변화를 말한다
4. 비열은 1g인 물체의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량을 말한다
5. 물 1g을 1℃ 상승시키는 데 필요한 열량은 칼로리(cal)로 정의 된다
석탄의 성상에 관한 설명
1. 석탄 연소시 잔류물인 회분 중 가장 많이 함유되는 것은 SiO2이다
2. 점결성은 석탄에서 코크스를 생산할 때 중요한 성질이다
3. 석탄의 회발분은 매연발생의 요인이 된다
4. 건조한 석탄의 경우는 탄화도가 높을수록 착화온도는 높아진다
5. 연료 조성변화에 따른 연소특성으로 수분은 착화불량과 열손실을, 회분은 발열량 저하 및 연소불량을 초래한다
석탄슬러리 연소에 대한 설명
1. 석탄 슬러리 연료는 석탄분말에 기름을 혼합한 COM과 물을 혼합한 CWM으로 대별된다
2. 표면연소 시기에는 COM연소의 경우 연소온도가 높아진 만큼 표면연소가 가속된다고 볼 수 있다
3. 분해연소 시기에는 COM연소의 경우 50wt%(w/w) 중유에 휘발분이 추가되는 형태로 되기 때문에 미분탄 연소보다는 분무연소에 더 가깝다
석탄계 연료에 대한 설명
1. 석탄의 저장법이 나쁘면 완만하게 발생하는 열이 내부에 축적되어 온도상승에 의한 발화가 촉진될 수 있는데 이를 자연발화라 한다
2. 자연발화 가능성이 높은 갈탄 및 아탄은 정기적으로 탄층 내부의 온도를 측정할 필요가 있다
3. 자연발화를 피하기 위해 저장은 건조한 곳을 택하고 퇴적은 가능한 한 낮게 한다
석탄의 유동층 연소방식에 대한 설명
1. 전열면적이 적게 된다
2. 부하변동에 쉽게 응할 수 없다
3. 다른 연소법에 비해 재와 미연탄소의 방출이 많다
석탄의 탄화도가 높아질 경우의 현상
1. 발열량이 증가한다
2. 착화점이 높아진다
3. 연료비가 증가한다
4. 비열이 감소한다
5. 수분 및 휘발분이 감소한다
6. 산소의 양이 줄어든다
7. 발열량이 증가한다
8. 연소속도가 작아진다
9. 수분 및 휘발분이 감소한다
10. 연료비가 증가한다
11. 비열이 감소한다
12. 착화온도는 높아진다
그을음 발생에 관한 설명
1. 분해나 산화하기 쉬운 탄화수소는 그을음 발생이 적다
2. C/H 비가 큰 연료일수록 그을음이 잘 발생된다
3. 발생빈도의 순서는 천연가스 < LPG < 제조가스 < 석탄가스 < 코크스.. 이다
4. 탈수소가 용이한 연료일수록 매연이 잘 발생한다
액화석유가스(LPG)에 대한 설명
1. 상온에서 10~20기압을 가하거나 또는 -49℃로 냉각시킬 때 용이하게 액화되는 석유계의 탄화수소가스를 말한다
2. 탄소수가 3~4개까지 포함되는 탄화수소류가 주성분으로 되어 있다
3. 비중이 공기보다 무거워 인화, 폭발위험성이 높다
4. 대부분은 석유정제시 부산물로 얻어진다
5. 비중이 공기보다 무거워 인화, 폭발의 위험성이 높다
6. 발열량이 높고, 황분이 적다
7. 대부분 석유정제시 부산물로 얻어진다
8. 액체에서 기체로 기화할 때 증발열이 있다
9. 황분이 적고 독성이 없다
10. 사용에 편리한 기체연료의 특징과 수송 및 저장에 편리한 액체연료의 특징을 겸비하고 있다
11. 천연가스에서 회수되기도 하지만 대부분은 석유 정제시 부산물로 얻어진다
12. 비중이 공기보다 무거워 인화 폭발 위험성이 있다
13. LPG라 하며, 가정•업무용으로 많이 사용되는 석유계 탄화수소가스이다
14. 탄소수가 3~4개까지 포함되는 탄화수소류가 주성분이다
15. 대부분 석유정제시 부산물로 얻어진다
16. 비중이 공기보다 무거워 누출시 인화, 폭발의 위험성이 높은 편이다
17. 발열량이 높은 편이며, 황분이 적다
18. 천연가스에서 회수되거나 나프타의 분해에 의해 얻어지기도 하지만 대부분 석유정제시 부산물로 얻어진다
석유계 액체연료의 탄수소비(C/H)에 대한 설명
1. C/H비가 클수록 방사율이 크다
2. 중질연료일수록 C/H비가 크다
3. C/H비가 크면 비교적 비점이 높은 연료는 매연이 발생되기 쉽다
4. C/H비가 클수록 이론공연비가 감소한다
자동차 내연기관의 공연비와 유해가스 발생농도와의 일반적인 관계
1. 공연비를 이론치보다 높이면 NOx는 감소하고, CO, HC는 증가한다
2. 공연비를 이론치보다 높이면 NOx, CO, HC 모두 증가한다
3. 공연비를 이론치보다 낮추면 NOx, CO, HC 모두 감소한다
연료의 착화온도에 관한 설명
1. 공기의 산소농도 및 압력이 높을수록 낮아진다
2. 활성화에너지는 작을수록 낮아진다
3. 비표면적이 클수록 낮아진다
4. 발열량이 클수록 착화온도는 낮아진다
5. 반응활성도가 클수록 낮아진다
6. 분자구조가 간단할수록 높아진다
7. 산소농도가 클수록 낮아진다
8. 동질성 물질에서 발열량이 클수록 낮아진다
9. 비표면적이 클수록 낮아진다
10. 공기의 산소농도 및 압력이 높을수록 낮아진다
11. 화합결합의 활성도가 클수록, 활성화에너지가 작을수록 착화온도는 낮아진다
착화온도가 낮아지는 조건
1. 공기 중의 산소농도 및 압력이 높을수록
2. 화학반응성이 클수록
3. 활성화에너지가 낮을수록
4. 비표면적이 크고, 발열량이 클수록 낮아진다
유류연소 버너 중 저압 기류분무식 버너에 대한 설명
1. 0.05~0.2kg/cm2 정도의 저압공기를 사용하여 분무시키는 방법이다
2. 분무각도는 30~60° 정도이다
3. 유량 조정범윈느 1:5로 비교적 큰 편이며 연료분사 범위는 200L/hr 정도로 소형설비에 주로 사용한다
4. 분무에 사용하는 공기량은 이론 연소공기량의 30~50%로 많이 소요된다
유류연소 버너가 갖추어야할 조건
1. 넓은 부하범위에 걸쳐 기름의 미립화가 가능할 것
2. 소음발생이 적을 것
3. 점도가 높은 기름도 적은 동력비로서 미립화가 가능할 것
기체연료의 연소방식에 대한 설명
1. 확산연소의 화염이 길고 그을음이 발생하기 쉽다
2. 확산연소는 역화의 위험이 없으며 가스와 공기를 예열할 수 있는 장점이 있다
3. 예혼합연소는 연소가 내부에서 연료와 공기의 혼합비가 변하지 않고 균일하게 연소된다
기체연료의 연소방식 중 확산연소에 관한 설명
1. 역화의 위험성이 없다
2. 붉고 긴 화염을 만든다
3. 연료의 분출속도가 클 경우에는 그을음이 발생하기 쉽다
4. 화염이 길다
5. 연료분출속도가 클 경우, 그을음이 발생하기 쉽다
6. 기체연료와 연소용 공기를 버너 내에서 혼합시키지 않는다
7. 역화의 위험이 있는 연소는 예혼합연소의 특징이다
8. 확산연소에 사용되는 버너로는 포트형과 버너형이 있다
9. 그을음의 발생이 쉽다
10. 역화의 위험이 없으며, 공기를 예열할 수 있다
확산형 가스버너 중 포트형에 관한 설명
1. 버너 자체가 로벽과 함께 내화벽돌로 조립되어 내부에 개구된 것이며, 가스와 공기를 함께 가열할 수 있는 이점이 있다
2. 고발열량 탄화수소를 사용할 경우에는 가스 압력을 이용하여 노즐로부터 고속으로 분출하게 하여 그 힘으로 공기를 흡인하는 방식을 취한다
3. 밀도가 큰 공기 출구는 상부에, 밀도가 작은 가스 출구는 하부에 배치되도록 한다
연료의 착화온도(℃)
1. 목탄 : 320~370℃
2. 중유 : 430~480℃
3. 수소 : 580~600℃
4. 메탄 : 650~750℃
중유에 관한 다음 설명
1. 점도가 낮을수록 유동점이 낮아진다
2. 비중이 클수록 발열량이 낮아지고 연소성이 나빠진다
3. 중유는 일반적으로 점도를 중심으로 3종으로 대별된다
4. 비중이 클수록 유동점, 점도, 잔류탄소 등이 증가한다
기체연료 연소방식 중 예혼합연소에 관한 설명
1. 연소기 내부에서 연료와 공기의 혼합비가 변하지 않고 균일하게 연소된다
2. 화염온도가 높아 연소부하가 큰 경우에 사용이 가능하다
3. 연소조절이 쉽고 화염길이가 짧다
착화온도에 대한 설명
1. 공기의 산소농도 및 압력이 높을수록 착화온도는 낮아진다
2. 화학결합의 활성도가 클수록 착화온도는 낮아진다
3. 대체로 탄화수소의 착화온도는 분자량이 클수록 낮아진다
4. 석탄의 탄화도가 증가할수록 착화온도는 높아진다
5. 동질성 물질에서 발열량이 클수록 낮아진다
6. 비표면적이 클수록 낮아진다
7. 공기의 산소농도 및 압력이 높을수록 낮아진다
8. 활성화에너지가 작을수록 낮아진다
9. 화학결합의 활성도가 클수록 낮아진다
10. 대체로 탄화수소의 분자량이 클수록 낮아진다
11. 동질성의 물질에서 발열량이 클수록 낮아진다
압입통풍에 대한 설명
1. 내압이 정압(+)으로 연소효율이 좋다
2. 송풍기의 고장이 적고 점검 및 보수가 용이하다
3. 흡인통풍식보다 송품기의 동력 소모가 적다
액체연료의 연소장치에 대한 설명
1. 건타입 버너는 연소가 양호하고 소형이며 전자동 연소가 가능하다
2. 저압기류 분무식 버너의 분무각도는 30~60° 정도이고, 분무에 필요한 공기량은 이론연소 공기량의 30~50% 정도이다
3. 고압기류 분무식 버너의 분무에 필요한 1차 공기량은 이론연소 공기량의 7~12% 정도이다
액체연료의 연소장치인 고압기류 분무식 버너에 대한 설명
1. 분무 각도는 작지만 유량 조절비는 커서 부하변동에 적응이 용이하다
2. 연료유의 점도가 큰 경우도 분무화가 용이하나 연소시 소음이 크다
3. 분무에 필요한 1차 공기량은 이론연소 공기량의 7~12% 정도이다
4. 대형 가열로 등에 많이 사용된다
5. 분무각도가 20~30°로 가장 작으며 화염은 장염이다
6. 무화용 공기량은 이론 공기량의 7~12% 정도로 적게 소요된다
7. 연소시 소음이 발생한다
8. 고점도 유류에도 적용 가능하다
연소장치의 특성
1. 유동층 연소는 다른 연소법에 비해 NOx 생성억제가 잘 되고, 화염층을 작게 할 수 있으므로 장치의 규모를 작게 할 수 있다
2. 산포식 스토커, 계단식 스토커에 의한 연소방식은 화격자 연소장치에 속한다
3. 미분탄 연소는 사용연료의 범위가 넓고, 스토커 연소에 적합하지 않은 점결탄과 저위발열탄 등도 사용할 수가 있다
화격자 연소에 대한 설명
1. 상부투입식은 투입되는 연료와 공기의 방향이 향류로 교차되는 형태이다
2. 상부투입식 정상상태에서의 고정층은 상부로부터 석탄층, 건조층, 건류층, 환원층, 산화층, 회층으로 구성된다
3. 상부투입식 연소에는 화격자상에 고정층을 형성하지 않으면 안되므로 분상의 석탄은 그대로 사용하기에 곤란하다
유동층연소에 관한 설명
1. 유동매체는 불활성이고 열충격에 강하며, 융점은 높으며 미세하여야 한다
2. 유동매체의 열용량이 커서, 약상, 기상 및 고형폐기물의 전소 및 혼소가 가능하다
3. 일반 소각로에서 소각이 어려운 난연성 폐기물의 소각에 적합하며, 특히 폐유, 폐윤활유등의 소각에 탁월하다
4. 연소실에 투입하기 전 파쇄과정을 거쳐야 하며, 과잉 공기율이 낮다
5. 유동매체의 손실로 인한 보충이 필요하다
6. 로 내에서 산성가스의 제거가 가능하다
7. 재나 미연탄소의 배출이 많다
유동층 연소로의 특성
1. 유동층을 형성하는 분체와 공기와의 접촉면적이 크다
2. 격심한 입자의 운동으로 층내가 유일 온도로 유지된다
3. 수명이 긴 char는 연소가 완료되지 않고 배출될 수 있으므로 재연소장치에서의 연소가 필요하다
유동층연소에서 부하변동에 대한 적응성이 좋지 않은 단점을 보완하기 위한 방법
1. 공기분산판을 분할하여 층을 부분적으로 유동시킨다
2. 유동층을 몇 개의 셀로 분할하여 부하에 따라 작동시키는 수를 변화시킨다
3. 층의 높이를 변화시킨다
저온부식의 원인과 대책
1, 예열공기를 사용하거나 보온시공을 한다
2. 저온부식이 일어날 수 있는 금속표면은 피복을 한다
3. 150℃ 이하의 전열면에 응축하는 산성염(황산, 염산, 질산 등)에 의하여 발생된다
저온부식 방지대책
1. 과잉공기를 줄여서 연소한다
2. 연료를 전처리하여 유황분을 제거한다
3. 장치표면을 내식재료로 피복한다
4. 내산성이 있는 금속재료를 선정한다
5. 저온 부식이 발생할 수 있는 금속표면에 피복을 한다
6. 연소가스 온도를 산노점(산성가스와 수증기가 결합하는 온도) 온도 이상으로 유지하도록 한다
7. 예열공기를 사용하여 에어퍼지를 한다
8. 보온시공을 한다
발열량에 관한 설명
1. 단위질량의 연료가 완전연소 후, 처음의 온도까지 냉각될 때 발생하는 열량을 말한다
2. 일반적으로 수증기의 증발잠열은 이용이 잘 안되기 때문에 저위발열량이 주로 사용된다
3. 고체연료의 경우는 kcal/kg, 기체연료의 경우 kcal/Sm3의 단위를 사용한다
연소공정에서 과잉공기량의 공급이 많을 경우 발생하는 현상
1. 연소실의 온도가 낮게 유지된다
2. 배출가스에 의한 열손실이 증대된다
3. 황산화물에 의한 전열면의 부식을 가중시킨다
화학반응속도론에 관한 설명
1. 화학반응속도는 반응물이 화학반응을 통하여 생성물을 형성할 때 단위시간당 반응물이나 생성물의 농도변화를 의미한다
2. 영차반응은 반응속도가 반응물의 농도에 영향을 받지 안는 반응을 말한다
3. 일련의 연쇄반응에서 반응속도가 가장 늦은 반응단계를 속도결정단계라 한다
연소와 관련된 설명
1. 공연비는 예혼합연소에 있어서의 연료에 대한 공기의 질량비(또는 부피비)이다
2. 등가비가 1보다 작을 경우, 공기가 과잉인 경우로 열손실이 많아진다
3. 등가비와 공기비는 상호 반비례곤계가 있다
4. 최대탄산가스량(%)은 이론 건조연소가스량을 기준한 최대탄산가스의 용적백분율이다
연료에 대한 설명
1. 연료비는 탄화도의 정도를 나타내는 지수로서, 고정탄소/휘발분으로 계산된다
2. 일산화탄소의 고위발열량은 3000kcal/Nm3 정도이며, 프로판과 부탄보다는 발열량이 낮다
3. LPG는 상온에서 압력을 주면 용이하게 액화되는 석유계의 탄화수소를 말한다
가솔린 엔진과 디젤 엔진의 상대적인 특성
1. 가솔린 엔진은 예혼합연소, 디젤 엔진은 화산연소에 가깝다
2. 가솔린 엔진은 연소실 크기에 제한을 받는 편이다
3. 디젤 엔진은 공급공기가 많기 때문에 배기가스 온도가 낮아 엔진 내구성에 유리하다
4. 가솔린이 디젤에 비하여 착화점이 높다
건타입(Gun Type) 버너에 관한 설명
1. 형식은 유압식과 공기분무식을 합한 것이다
2. 유압은 보통 7kg/cm2 이상이다
3. 연소가 양호하고, 전자동 연소가 가능하다
통풍방식 중 흡인통풍에 대한 설명
1. 노내압이 부압으로 냉기 침입의 우려가 있다
2. 송풍기의 점검 및 보수가 어렵다
3. 굴뚝의 통풍저항이 큰 경우에 적합하다
연소(화염)온도에 대한 설명
1. 공기비를 크게 할수록 연소온도는 높아진다
2. 실제연소온도는 연소로의 열손실에는 거의 영향을 받지 않는다
3. 평형 단열연소온도는 이론 단열연소온도와 같다
연료 및 연소에 관한 설명
1. 연소라 함은 고속의 발열반응으로 일반적으로 빛을 수반하는 현상의 총칭이다
2. 탄소성분이 많은 중질유 등의 연소는 초기에는 증발연소를 하고, 그 열에 의해 연료성분이 분해되면서 연소한다
3. 그을림연소는 숯불과 같이 불꽃을 동반하지 않는 열분해와 표면연소의 복합형태라 볼 수 있다
연소에 대한 설명
1. 연소장치에서 완전연소 여부는 배출가스의 분석결과로 판정할 숭 lT다
2. 연소용 공기 중의 수분은 연료 중의 수분이나 연소시 생성도는 수분량에 비해 매우 적으므로 보통 무시할 수 있다
3. 이론공기량은 연료의 화학적 조성에 따라 다르다
디젤노킹(diesel knocking)의 방지법
1. 세탄가가 높은 연료를 사용한다
2. 분사개시 때 분사량을 감소시킨다
3. 급기온도를 높인다
4. 착화성(세탄가)이 좋은 경유를 사용한다
5. 압축비, 압출압력, 압축온도를 높인다
6. 엔진의 온도와 회전속도를 높인다
7. 분사시기를 알맞게 조정한다
8. 흡인공기에 와류가 일어나게 하고, 온도를 높인다
확산연소에 분류속도 변화에 따라 변화하는 분류확산화염에 대한 설명
1. 층류화염에서 난류화염으로 전이하는 높이는 유속이 증가함에 따라 급속히 아래쪽으로 이동하여 층류화염의 길이가 감소된다
2. 전이화염에서 유속을 더 증가시키면 대부분의 화염이 난류가 되고 전체화염의 길이는 크게 변화하지 않는다
3. 층류화염에서 난류화염으로의 전이는 분류 레이놀즈수에 의존한다
보일러의 종류 및 특성
Boiler의 종류 및 특성
1. Boiler의 개요
(1) Boiler의 정의
Boiler는 강철로 만든 밀폐된 용기 안에서 물을 가열하여 높은 온도, 높은 압력의 증기를 발생 시키는 장치이다.
(2) 전열과정
1) 복사 (Radiation)
① 고온부에서 저온부로 열전자에 의한 전열과정이다.
② 전열량은 고온부와 저온부 온도의 4승차에 비례한다.
③ 복사전열은 수냉벽 그리고 과열기 및 재열기 일부에서 이루어진
다.
④ 수냉벽에서 복사 전열량은 보일러 전체 전열량의 약 50% 전후
이다
⑤ 복사 전열량은 스테판-볼쯔만(Stefan-Boltzmann)의 법칙을
적용한다.
Q=σ·A ( T₁⁴-T₂⁴)
σ : Stefan-Boltzmann의 상수( ㎉ / h.m²k⁴)
A : 전열면적
T₁: 고온부 온도
T₂: 저온부 온도
2) 전도(Conduction)
① 물체 구성 분자가 이동하면서 고온부에서 저온부로 열이 전달되
는 전열 과정이다.
② 전열량은 단면적과 온도차에 비례한다.
③ 전도 전열량은 Fourier의 법칙을 적용한다.
Q=K·A ( T₁-T₂) / L (㎉ / h)
K : 열전도 계수 (㎉ / h.m.℃)
A : 전열면적
L : 전열면의 두께
3) 대류(Convection)
① 연소가스의 유동에 의해서 열이 전달되는 전열과정이다.
② 전열량은 전열면적과 온도차에 비례한다.
③ 대류 전열은 보일러 후부 통로에 설치되어있는 과열기, 재열기, 절
탄기, 공기예열기에서 이루어진다.
④ 대류 전열량은 Newton 의 법칙을 적용한다.
Q = H·A ( T₁-T₂) (㎉ / h)
H : 열대류 계수 (㎉ / h.m².℃)
A : 전열면적
(3) 물의 임계압 특성
1) 물의 임계압은 <그림 1-1> 과 같이 225.6 (㎏/㎠) 이며, 임계온도
는 374℃ 이다.
2) 임계압에서 물의 증발잠열은 <그림 1-2> 와 같이 "0" 이다.
3) 임계압에서 포화수와 포화증기의 비체적과 비중량은 같다.
<그림 1-1> 압력과 포화온도
<그림 1-2> 압력과 증발잠열
(4) 물의 비등
1) 핵비등(Nucleate Boiling)
① <그림 1-3>에서 S점이 포화상태이며, 핵비등은 포화상태에서 열
부하가 더 증가되면 튜브 내면에서 증기가 발생하는 현상이다.
② <그림 1-3>에서 C점은 핵비등을 유지하는 최대의 열부하가 되고
이 점이 임계 열부하(Departure From Nucleate Boiling) 점이다.
<그림 1-3> 임계 열부하점
2) 막비등(Film Boiling)
① 막비등은 가열된 튜브 내면에서 연속적으로 기포가 발생되어 튜브
내면이 증기막으로 싸이는 현상이다.
② 증기는 물보다 열전달율이 낮아 막비등이 발생되면 튜브의 온도가
급격히 상승되어 튜브가 과열될 우려가 있다.
③ 관류형 보일러는 약간의 막비등이 허용되고 있으며 순환형 보일러
는 노의 고온부에서 막비등이 발생하는 경우가 있다.
(5) 보일러 효율
1) 발전용 보일러 효율은 약 90% 정도이다.
<그림 1-4> 보일러의 효율
2) 효율 공식
μ = (출열 / 입열) X 100
= {증기증발량(㎏/h)x[증기엔탈피(㎉/㎏)-급수엔탈피(㎉/㎏)]} /
{연료소비량(㎏/h)x연료발열량(㎉/㎏)} X 100다. <그림 1-5> 을 참고
하여 보일러 효율을 계산하면 다음과 같다.
<그림 1-5> 효율 계산
μ = {1670000㎏/h x [806(㎉/㎏)-248(㎉/㎏)]} /
{171000(㎏/h)x6170 (㎉/㎏)} X 100
= 88.3 (%)
물과 증기의 엔탈피는 증기표에서 구함
① 배기손실
② 불완전 연소손실
③ 방산 열손실
④ 회(Ash) 함유열
⑤ 기동 및 정지손실
(6) 열손실 저감 대책
- 드레인(Drain) 과 블로우다운 (Blow Down) 밸브(Valve)를 불필요하
게 열지 말 것
- 증기 트랩( Steam Trap) 을 정확하게 동작시켜 증기배출을 방지할것
- 보조 증기를 낭비하지 말 것
- 연소공기와 연소가스의 누설을 방지할 것
- 적정 과잉공기를 공급할 것
2. 보일러 종류별 특징
(1) 발전용 보일러의 종류
발전설비의 대형화와 사용증기의 고온 고압화 추세에 따라 발전용 보일러는 자연순환 보일러 <그림2-1(a)>에서 강제순환 보일러<그림2-1(b)> 로 변화 되었다.
1) 순환 보일러 (Circulation Boiler)
① 자연순환 보일러(Natural Circulation Boiler)
② 강제순환 보일러 (Controlled Circulation Boiler)
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<그림 2-1> 순환 보일러
대부분 발전소의 보일러는 자연순환 보일러이다.
2) 관류형 보일러(Once Through Boiler)
① 벤슨(Benson) 보일러
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<그림 2-2> 관류 보일러
② 슐처(Sulzer) 보일러
한전의 표준 석탄화력 보일러는 사용압력이 초임계압이며 슐처형
관류보일러이다.
(2) 순환비(Circulation Ratio)
순환비는 상승관 출구에서 드럼으로 유입되는 포화수와 포화증기 혼합비율이며 보일러수의 순환량은 순환비로 계산할 수 있다.
순환비가 크다는 것은 보일러의 보유수량이 많음을 의미하며 보일러 의 열 관성(Thermal Inertia)이 커서 기동, 정지시간이 길어지고 정지시 열손실도 증가한다.
일반적으로 순환비는 자연순환 보일러가 강제순환 보일러 보다 크다. 순환비(C.R) = 상승관 출구에서 기수혼합물의 중량 / 상승관 출구에서 증기의 중량
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<그림 2-3> 강수관과 상승관
(3) 자연순환 보일러 (Natural Circulation Boiler)
<그림 2-4>는 자연순환 보일러의 내부구조이다. 급수는 절탄기를 거쳐 드럼으로 유입된다.
절탄기에서 유입된 급수와 드럼에서 기수 분리된 포화수는 강수관, 하부헤더를 거쳐, 수냉벽에서 노(Furnace)내부의 복사열을 흡수한다.
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<그림 2-4> 자연순환 보일러
1) 순환력
<그림 2-5>는 자연순환 보일러에서 보일러수의 흐름이다. 보일러
수의 순환은 수냉벽 속의 기수 (포화증기와 포화수) 혼합물의 밀도
와 강수관으로 흐르는 물의 밀도차에 의해서 이루어진다.
수냉벽으로 흐르는 보일러 수는 노에서 불꽃과 고온의 연소가스에
의해서 가열되어 기수 혼합물이 된다. 노 외부에서 설치된 강수관속
의 물은 밀도가 높으므로 수냉벽속의
기수 혼합물을 밀어 드럼으로 상승시킨다.순환력이 부족하면 수냉
벽으로 흐르는 유량이 적어져 수냉벽이 고열에 의해서 과열될 우려
가 있다.
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<그림 2-5> 자연순환 보일러의 순환계통
2) 순환력 크기
순환력 = (강수관 물의 밀도-수냉벽 기수혼합물의 밀도) X 드럼 높이
3) 순환력에 영향을 미치는 요인
① 열흡수량
수냉벽과 강수관으로 흐르는 유체의 밀도차는 수냉벽의 열흡수량
에 비례한다. 수냉벽의 열흡수량이 증가할수록 수냉벽 유체의 밀
도가 적어져 보일러의 순환력이 증가한다.
② 강수관과 수냉벽으로 흐르는 유체의 밀도가 일정한 경우 보일러의
높이 가 높을수록 수두(Head)의 무게차가 커져 보일러수의 순환
력이 증가한다.
③ 사용압력 증가
사용압력이 증가하면 <그림 2-6> 와 같이 물의 물리적 성질에 의
해서 포화수의 밀도는 감소하고 포화증기의 밀도는 증가한다. 따
라서 강수관으로 흐르는 물과 수냉벽으로 흐르는 기수 혼합물의
밀도차가 감소되어 순환력이 적어진다.
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<그림 2-6> 압력과 비중량
4) 순환력을 증가시키는 방법
① 강수관을 노 외부의 비가열 부분에 설치한다.
② 드럼의 위치를 높게한다.
③ 수관의 직경을 크게하여 보일러수의 마찰손실을 적게한다.
④ 수관을 가급적 직관으로 설치하여 유동손실을 적게한다.
<그림 2-7> 연소가스의 흐름
5) 연소가스 흐름 경로
연소실→과열기→재열기→절탄기→공기예열기집진기→연돌
6) 자연순환 보일러의 특성
① 자연순환 보일러는 보일러수 순환을 위한 별도의 설비가 없으므로
구조가 간단하다.
② 운전이 비교적 용이하다.
③ 증기압력이 높아지면 순환력이 저하된다.
④ 보일러의 보유수량이 많아서 기동, 정지 시간이 길어지고 정지시
열손실이 많다.
(4) 강제순환 보일러 (Controlled Circulation Boiler)
강제순환 보일러는 <그림 2-8>과 같이 보일러수를 순환시키기 위하여 보일러수 순환펌프(Boiler Water Circulation Pump ; BWCP)를 사용한다.
강수관에 설치된 순환펌프는 드럼에 저장된 물을 흡입하여 하부헤더(Lower Header) 및 수냉벽을 거쳐 드럼으로 강제순환 시킨다. 강제순환 보일러는 자연순환 보일러보다 순환력이 좋으므로 보일러의 크기가 같은 경우 더 많은 증기를 생산할 수 있다.
<그림 2-8> 강제순환 보일러
1) 순환력
증기압력이 높아지면 포화수와 포화증기의 밀도차가 적어져 충분한
순환력을 얻을 수 없으므로 <그림 2-9>과 같이 순환펌프가 순환력
을 증가 시킨다.
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<그림 2-9> 강제순환 보일러의 순환계통
강제순환 보일러의 순환력= 자연순환력 +보일러수 순환펌프의 순환
력 <그림 2-10>은 자연순환과 강제순환 보일러 순환력의 크기를
비교한 것이다.
<그림 2-10> 순환력의 비교
2) 강제순환 보일러의 장점
① 강제순환 보일러는 순환펌프가 있으므로 사용압력이 증가하여도
충분한 순환력을 얻을 수 있다.
② <그림 2-11> 와 같이 하부헤더(Low Header) 내부에 오리피스
(Orifice)를 설치하여 증발관으로 흐르는 유량을 일정하게 하며,
오리피스 입구 에 스트레이너(Strainer)를 설치하여 오리피스의
막힘(Pluging)을 방지 한다.
<그림 2-11> 하부헤더 내부구조
③ 순환력이 크므로 보일러수의 순환이 원활하여 증발관이 과열될 염
려가 적다.
④ 튜브 직경이 작아 내압 강도가 크므로 튜브 두께가 얇아져 열전달
율이 좋아진다.
⑤ 보일러 보유수량이 적어 기동, 정지시간이 단축되고 정지시 열손
실이 감소한다.
⑥ 전열면의 수관을 자유롭게 배치할 수 있어 연료나 연소방식에 따
른 노 (Furnace) 구성이 자유롭다.
⑦ 보일러 점화전 순환펌프가 보일러수를 순환시키므로 물때(Scale)
생성이 비교적 적다.
3) 강제순환 보일러의 단점
① 보일러수 순환펌프가 설치되므로 소내전력이 증가한다.
② 보일러수 순환펌프의 유지 정비가 어렵고, 고장시 출력감발 및 보
일러 정지가 불가피하다.
③ 기동, 정지 절차와 운전이 복잡하다.
<그림 2-12> 보일러수 순환펌프의 내부구조
4) 보일러수 순환펌프(Boiler Water Circulation Pump ; BWCP)
보일러수 순환펌프가 고온 고압의 포화수를 가압할 때 그랜드
(Gland)부에서 물이 새어 대기로 방출되면 급격히 증기로 변환되므
로 이를 방지하기 위해서 특수한 축 밀봉장치를 설치한다.
Glandless Submerged Motor Pump의 특징은 다음과 같다.
① 이 형식의 펌프는 그랜드부를 없애기위해 펌프와 모터의 케이싱이
일체 로 만들어지므로 고온 고압의 보일러수가 모터내부로 유입
될 가능성이 있다.
② 모터의 회전자와 고정자 공간(Cavity) 으로 흐르는 고압냉각수가
고온의 보일러수에서 모터로 전도되는 열을 냉각시킨다.
③ 순환펌프 하부에 설치된 보조펌프가 고압 냉각수를 모터에서 냉각
기로 순환시켜 모터의 온도를 허용치 이내로 유지시킨다.
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<그림 2-13> 보일러수와 증기의 흐름도
<그림 2-14> 보일러 전열면의 배열
(5) 관류 보일러 구성
발전소의 효율은 사용압력과 온도를 높이면 상승한다. 그러나 사용온도는 보일러 튜브 및 터빈의 재질 때문에 더 이상 높이지 못하므로 압력을 초임계압으로 상승하여 효율을 향상시킨다.
관류 보일러는 급수펌프가 보일러수를 순환시켜 정상운전시 물과 증기의 분리가 불필요하므로 초임계압 보일러는 반드시 관류 보일러를 사용한다.
관류보일러는 절탄기(Economizer),증발관(Evaporator),과열기(Superheater)가 하나의 긴관(Single Flow Tube)으로 구성되어 있으며, 급수펌프가 공급한 물은 순차적으로 예열, 증발하여 과열증기가 된다.
(6) 관류 보일러의 특징
1) 직경이 작은 튜브가 사용되므로 중량이 가볍고, 내압 강도가 크나,
압력 손실이 증대되어 급수펌프의 동력손실이 많다.
2) 보일러 보유수량이 적어 기동시간이 빠르고 부하 추종이 양호하나
고도의 제어기술과 각종 보호 장치가 필요하다.
3) 기동시 증기가 고압터빈을 바이패스하여 재열기로 흐르므로 재열
기의 과 열을 방지할 수 있다.
4) 터빈 정지시 보일러의 단독운전이 가능하다.
5) 복수기는 터빈을 바이패스한 증기를 응축시키기 위해서 보일러 점
화전 정상 상태로 운전되어야 한다.
6) 운전중 보일러수에 포함된 고형물이나 염분 배출을 위한 블로우 다
운(Blow Down)이 불가능하여 보충수량은 적으나 수질관리를 철저
히 하여야 한다.
노 하부 수냉벽은 나선형(Spiral Type)으로 설치되고 버너 부근의 고
열을 흡수하는 수관은 리브드 튜브(Ribbed Tube) 를 사용한다.
<그림 2-15> 리브드 튜브(Ribbed Tube) 내부
(7) 벤슨 보일러(Benson Boiler)
벤슨 보일러는 과열기 출구에 기동용 플래시 탱크(Flash Tank)가 설
치 되어 있다. 보일러 기동시 과열기까지 순환한 물은 기동용 플래시
탱크를 거쳐 배수 저장조 혹은 급수저장조로 회수된다. 기동 초기
보일러 튜브속의 불순물에 의해 오염된 보일러수는 배수탱크로 버
린다.
시간이 경과되면 보일러수의 수질이 점차적으로 좋아지고 수질이
개선된 보일러수는 급수저장조로 회수되어 보일러수로 재사용한다.
벤슨보일러(Benson Boiler)의 특징은 다음과 같다.
1) 급수가 보일러 내부로 흐르고 있는 상태에서 버너(Burner)가 점화
된다.
2) 증발관에서 유동안정을 위하여 최소 급수량은 정격 급수량의 약
30% 이상 유지 되어야 한다.
3) 보일러 기동시 보일러수가 증발관과 과열기로 흐르므로 튜브내면
의 물 때 (Scale)가 제거된다.
4) 보일러를 단시간 정지후 재기동시 보일러를 반드시 냉각시켜야 하
므로 재기동시 열손실과 시간손실이 많고 보틀 업(Bottle-up)이
불필요하다.
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<그림 2-16> 벤슨 보일러의 계통도
(8) 슐처 보일러(Sulzer Boiler)
1) 아래의 <그림 2-17>은 초임계압 보일러 계통도이다.
2) 증발관 출구에 설치된 기수분리기(Separator)가 기동 및 정지 그리
고 저부하시 기수 혼합물을 분리시키며, 정상 운전시는 보일러수가
증발관에서 모두 증기로 변하므로 기수분리의 필요성이 없다.
<그림 2-17> 슐처 보일러의 계통도
3) 기수분리기 하부에 설치된 순환펌프(Circulating Pump)는 포화수를
절탄기 입구로 재순환 시킨다.
4) 기동시 과열기로 물이 순환되지 않으므로 열간기동(Hot Start-up)
이 가능하다.
5) 보일러 기동시간이 단축되고 열손실이 감소된다.
(9) 경사형 수냉벽(Spiral Type Water Wall)
1) 수관수가 적어지므로 수관당 질량유량이 증대하여 최저부하 한도
가 낮아진다.
2) 수냉벽에서 열흡수가 균등하여 인접 튜브와 온도차가 적다.
3) 보일러 동특성이 우수하여 주파수 조절용 보일러에 많이 사용한다.
4) 나선형 수냉벽은 노벽 설계 및 건설 시공이 복잡하다.
5) 튜브내부로 흐르는 유속증가에 따른 압력손실이 증가되므로 열흡
수율 이 낮은 노상부는 수직형 수냉벽을 설치한다.
6) 나선형 수냉벽과 수직형 수냉벽 사이에 설치된 중간헤더가 이들 수
냉벽 의 열응력 발생을 최소화 시킨다.
<그림 2-18> 관류보일러의 경사 수냉벽
<그림 2-19> 경사 수냉벽
3. 보일러 구성
(1) 절탄기(Economizer)
1) 절탄기의 정의
절탄기는 보일러에서 배출되는 연소가스의 남은 열을 이용하여 보
일러에 공급되는 급수를 예열하는 장치이다.
2) 절탄기 효과
① 연소가스의 남은 열을 이용하여 급수를 예열하므로 보일러 효율이
상승된다.
② 급수를 가열하므로 드럼과 급수 온도 차가 적어져 드럼의 열응력
발생을 방지한다.
3) 절탄기 위치
절탄기는 급수 기준으로 최종 급수가열기와 드럼 사이에 위치하며
연소 가스 기준으로 가스 온도가 약 400℃정도 되는 보일러의 후부
통로 1차 과열기와 공기예열기 사이에 위치한다.
4) 절탄기 재질
발전용 보일러 절탄기의 재질은 대부분 강관이 사용된다. 강관을 그
대로 사용하는 나관 절탄기와 전열면적을 증가시키기 위해서 튜브
주위에 휜(Fin)을 부착한 휜 부착 절탄기가 있다.
<그림 3-1> 은 휜 부착 절탄기이다.
<그림 3-1> 휜(Fin) 부착 절탄기
5) 절탄기 재순환 관(Economizer Recirculation line)
순환 보일러는 승압기간중 드럼으로 공급되는 물이 거의 없다. 절탄
기는 상대적으로 저온 구역에 설치됨에도 불구하고 몇몇 절탄기에
서 승압 기간 중 증기가 발생한다. 급수가 절탄기로 공급될 때까지
이 증기는 절탄기 내부에 갇혀 있다. 이 현상은 드럼 수위 조정을
어렵게할 뿐 아니라 수격작용(Water Hammer)을 일으킨다. 이러한
어려움은 절탄기 내부에 갇혀있는 증기를 배출시키거나, 보일러수
를 절탄기로 순환시키므로 해결 할 수 있다.
만약 <그림 3-2>와 같은 재순환관을 사용한다면 재순환 밸브는 보
일러수가 절탄기를 통해 보일러로 연속적으로 공급될 때까지 열려
있어야 한다.
<그림 3-2> 절탄기의 재순환 관
(2) 드럼 (Drum)
1) 기능
① 보일러수와 증기의 순환 경로를 구성한다.
② 증발관에서 유입되는 기수(汽水)혼합물을 분리한다.
③ 보일러수를 저장한다.
④ 드럼내부의 고형물질을 배출시킨다.
2) 구성요소
① 급수관(Feed Water Pipe)
급수관은 절탄기에서 예열된 급수를 드럼으로 공급한다. 급수관은
급수를 균등하게 공급하기 위해서 드럼의 길이 방향으로 설치되어
있으며 작은 구멍들이 뚫어져 있다.
② 강수관(Down Comer)
강수관은 드럼하부에 설치되어 하부헤더와 연결되어 있으며 순환
력을 크게 하기위하여 노 외부의 비가열 부분에 설치한다.
③ 상승관(Riser Tube)
상승관은 수냉벽 출구에 설치되어 기수혼합물을 드럼으로 공급
하는 관으로 드럼 상부로 연결된다.
<그림 3-3> 드럼의 내부구조
④ 격판(Shroud, Baffle)
격판은 상승관의 기수 혼합물을 드럼의 내면으로 안내하여 드럼을
균일하게 가열하므로 열응력 발생을 억제한다.
⑤ 원심분리기(Cyclone Separater)
원심분리기는 <그림 3-4>와 같이 기수혼합물을 선회시켜 물은
원심력에 의해 밖으로 밀려 원통주위를 회전하면서 아래로 떨어지
고 증기는 상부로 올라가 과열기로 흐른다.
<그림 3-4> 기수 분리기와 건조기
<그림 3-5> 수직형 기수 분리기
⑥ 건조기(Dryer)
건조기는 포화증기 속에 함유된 수분을 제거하기 위해서 주름진 철
판을 여러겹 겹쳐 드럼 상부 증기통로에 설치한다. 수분이 포함된
포화증기가 건조기를 통과할 때 증기의 흐름 방향이 변화하면서
물은 철판에 부딪쳐 드럼으로 떨어진다.
⑦ 포화증기관(Saturation Steam Pipe)
포화증기관은 드럼과 과열기 입구헤더를 연결하는 관으로서 드럼
에서나온 증기를 과열기로 흐르게 한다.
⑧ 수위계(Level Gauge)
ㄱ. 수위계는 <그림 3-6>와 같이 수위를 표시한다. 수위가 쉽게 인식
되기위해서 수부와 증기부가 청색과 적색의 2가지 색(bi-color)
으로 표시 되는 수면계가 많이 사용된다.
ㄴ. 고온 고압의 물과 증기에 사용되는 드럼 수위계는 취급에 주의를
하지 않으면 열 충격으로 파손되는 경우가 있다.
⑨ 기타
ㄱ. 블로우 다운(Blow Down)파이프
ㄴ. 안전 밸브(Satety Valve)
ㄷ. 벤트 파이프(Vent Pipe)
<그림 3-6> 드럼 수위계
3) 드럼 수위
① 기준
ㄱ. 드럼의 수위 기준은 기수분리기 하단이며 드럼의 수위가 상승되
면 기수분리기가 물속에 잠겨 기수분리가 어려워진다.
ㄴ. 드럼의 정상 수위는 "0" 으로 표시하며 높으면 +, 낮으면 -
로 표시 한다.
ㄷ. 정상 수위 "0"은 드럼의 중심점보다 약간 낮다.
ㄹ. 정상 수위보다 일정치 이상 낮거나 높으면 보일러를 정지시킨다.
② 수위 이상시 문제점
ㄱ. 고 수위 : 수위가 높아지면 기수가 분리되지 않아 증기가 다량의
수분을 함유하고 과열기로 흐르며 과열기 내부에서 물때(Scale)
가 생성되어 과열기가 과열될 우려가 있다. 과열기나 터빈에
보일러수가 유입되면 다음과 같은 현상이 발생된다.
- 터빈 케이싱(Casing)과 로타(Rotor)의 팽창차가 급변한다.
- 터빈 침식 및 진동이 발생된다.
ㄴ. 저 수위 : 드럼수위가 너무 낮게 되면 일부 수관은 물 부족현상
이 발생할 수 있어 과열될 우려가 있다.
③ 수위변화의 요인
ㄱ. 터빈 부하가 급격히 변화할 경우
ㄴ. 연료량이 급격히 변화할 경우
ㄷ. 드럼 압력이 급격히 변화할 경우
ㄹ. 보일러 튜브가 파열된 경우
ㅁ. 드럼 수위 검출 및 전송 계통이 고장 난 경우
④ 수위 제어
보일러 드럼 수위를 정확하고 신뢰성 있게 제어하기 위해서 3요소 제 어 방식( 3Element Control System )이 채택된다.
ㄱ. 드럼 수위 (Drum level)
ㄴ. 증기량(Steam Flow)
ㄷ. 급수량(Feed Water Flow)
<그림 3-7> 드럼 수위의 3요소 제어
4) 드럼 보호
드럼의 열응력 발생을 방지하기 위해서 드럼 상하부 온도차를 55℃
이내, 내외부 온도차를 65℃ 이내로 제한하며 기동, 정지시 온도
변화율은 일반적으로 다음과 같이 제한한다.
① 자연순환 보일러 : 55℃/hr
② 강제순환 보일러 : 110℃/hr
③ 관류 보일러 : 220℃/hr
(3) 노 (Furnace)
1) 노 (爐)
노는 연료와 연소용 공기가 혼합되어 연료의 가연 성분이 연소되는
공간이며 보일러수가 노벽을 구성하는 수냉벽 내부로 흐르면서 연
료의 연소열을 흡수하여 증기로 변한다.
노는 연료를 완전히 연소시키고 노 출구 온도를 적당히 낮출수
있도록 충분히 커야한다.
<그림 3-8> 노 내부 구조
2) 노 벽의 구조
① <그림 3-9>는 노벽을 구성하는 스터트 수냉벽의 구조이다.
② 노의 수냉벽은 연소가스의 누출이나 공기의 누입이 없도록 전
용접 수냉벽 방식을 많이 채택한다.
③ 노 외벽은 열 방산을 최소로 하기위해서 충분히 보온되어야 한다.
④ 벅스테이(Buckstay)는 노(Furnace)외부 혹은 내부에 가해지는
힘으로 부터 노벽을 보호한다.
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<그림 3-9> 스터트(Studded) 수냉벽
<그림 3-10> 멤브레인 튜브(Membrane Tube) 벽
(4) 과열기 (Superheater) 및 재열기 (Reheater)
1) 과열기 및 재열기 사용 목적
① 발전소 열효율은 증기압력과 증기온도가 높을수록 증가한다.
② 과열기는 드럼에서 분리된 포화증기를 가열하여 온도가 높은 과열
증기 로 만든다.
③ 과열증기를 사용하므로 터빈에서 열낙차가 증가하고, 터빈의 내부
효율이 증가한다.
④ 터빈과 증기공급관의 마찰손실이 적어지고, 습분에 의한 침식이
경감된다.
⑤ 재열기(Reheater)는 고압터빈(High Pressure Turbine)에서 일을
한 온도가 떨어진 증기를 다시 가열하여 과열도를 높이는 장치
이다.
⑥ 재열기는 발전소의 열효율을 향상시키고, 저압터빈(Low
Pressure Turbine) 날개(Blade)의 침식을 경감시킨다.
2) 과열기 및 재열기 형식
① 전열 방식에 따른 분류
ㄱ. 복사과열기(Radiant Superheater)
복사과열기는 연소가스 온도가 높은 노 상부에 설치되어 복사열
을 받으며<그림 3-11>과 같이 보일러의 부하가 상승하면 증기온
도가 떨어진다.
ㄴ. 대류과열기(Convection Superheater)
대류과열기는 연소가스 통로에 설치되어 가스의 대류작용에 의해
서 열전달이 이루어지며, 보일러의 부하가 상승되면 증기온도가
올라간다.
ㄷ. 복사 - 대류과열기
복사-대류과열기는 노 출구 고온부에 설치되어 복사열과 대류열
을 동시에 받으며 보일러 부하가 변하여도 증기온도가 비교적
일정하게 유지된다.
<그림 3-11> 보일러 부하와 과열도
② 유동방식에 따른 분류
과열기 및 재열기를 유동방식에 따라 분류하면 <그림 3-12>와 같
이 병류, 향류, 혼류식이 있다.
ㄱ. 병류식
- 연소가스의 흐름 방향과 증기의 흐름 방향이 일치하며, 연소가스
의 고온부와 증기의 저온부가 접촉한다.
- 튜브의 표면온도 상승폭이 적고 열전달 효율은 낮다.
- 이 형식의 과열기 및 재열기는 고온부에 설치된다.
ㄴ. 향류식
- 연소가스의 흐름 방향과 증기의 흐름 방향이 반대이며, 연소가스
의 고온부와 증기의 고온부가 접촉한다.
- 튜브의 표면온도 상승 폭이 크고, 열전달 효율은 높다.
- 이 형식의 과열기 및 재열기는 저온부에 설치한다.
ㄷ. 혼류식
- 혼류식은 병류식과 향류식을 조합한 형식이며 최종과열기 및
최종 재열기에 주로 사용한다.
<그림 3-12> 유동방식에 따른 분류
③ 설치 방식에 따른 분류
ㄱ. 수평식
- 설치가 곤란하다.
- 응축수(Drain Water)의 배출이 용이하다.
<그림 3-13> 수평식 과열기
ㄴ. 수직식
- 설치가 용이하다.
- 응축수(Drain Water)의 배출이 곤란하다.
<그림 3-14> 수직식 과열기
3) 증기온도 조절
① 증기온도가 떨어지는 요인
ㄱ. 과잉공기가 부족한 경우
ㄴ. 급수온도가 기준온도보다 높은 경우
ㄷ. 재열기 입구온도가 기준온도보다 낮은 경우
ㄹ. 과열저감기가 누설되는 경우
ㅁ. 석탄회가 과열기 및 재열기 표면에 부착된 경우
② 증기온도가 올라가는 요인
ㄱ. 과잉공기가 많은 경우
ㄴ. 급수온도가 기준온도보다 낮은 경우
ㄷ. 재열기 입구온도가 기준온도보다 높은 경우
ㄹ. 석탄회가 수관 표면에 부착된 경우
ㅁ. 연소 시간이 길어지는 경우
<그림 3-15> 과열저감기 설치 위치
③ 증기온도 조절방법
ㄱ. 과열저감기(Desuperheater or Spray Attemper ator)
- 과열저감기는 <그림 3-15>와 같이 과열증기 통로에 설치되어
분사 노즐(Spray Nozzle)에서 물을 분사시켜 증기온도를 내린다.
- 이 방법은 증기온도를 내리는 방법중 가장 보편화된 방법이며
증기온도의 조절범위가 넓고, 시간이 빠르다.
- 분사수가 증기와 직접 혼합되므로 과열기 및 터빈에 부착되는 물
때(Scale)를 방지하기 위해서 분사수의 순도가 좋아야 한다.
<그림 3-16> 과열저감기 내부
ㄴ. 화염의 위치
- 미국 C.E 社(Combustion Engineering)의 경사각 조절 버너
(Tilting Burner)는 <그림 3-17> 과 같이 노의 4모퉁이에 설치되어
상하 30° 의 각도로 조절할 수 있다.
- 버너 분사각이 상방향(+30°)이면 증기온도가 올라가고 하방향
(-30°)이면 증기온도가 떨어진다.
- 버너 분사각은 증기온도에 따라 자동적으로 조절된다.
<그림 3-17> 틸팅버너(Tilting Burner) 각도와 화염 모양
ㄷ. 가스 재순환(Gas Recirculation)
- 가스 재순환 설비는 보일러 부하가 낮은 경우 과열증기 특히
재열 증기 온도를 상승시킨다.
- 가스 재순환 송풍기가 절탄기를 통과한 연소가스의 일부를
<그림 3-18>과 같이 노 하부로 공급하여 전열면(절탄기, 수냉벽,
과열기, 재열기)에서 흡수열량을 변화시킨다.
- 재순환 가스량이 증가하면 증기온도가 올라가고 감소하면 증기
온도가 떨어진다.
- 연소가스가 재순환되면 연소상태가 불량하여 소화(消火)의 위험
이 있다.
<그림 3-18> 재순환 송풍기와 증기온도
(5) 보일러 튜브(Tube)
1) 튜브의 구비 요건
① 인장강도와 크리프(Creep)강도는 사용온도와 압력에 견딜 수 있는
여유가 있어야 한다.
② 튜브 내면은 내산화성이어야 하고, 외면은 연소가스 및 석탄회에
대한 내식성과 내마모성이 있어야 한다.
③ 동종 및 이종 튜브간의 용접성이 우수하고, 가공성이 좋아야한다.
④ 열전달율이 좋아야 한다.
⑤ 가격이 저렴해야 한다.
2) 튜브 파열
① 발생 원인
ㄱ. 보일러 튜브는 시간의 경과에 따라 서서히 형태 및 조직이 변화
되는 자연 열화
ㄴ. 보일러 튜브 재질 선택의 부적정
ㄷ. 보일러 튜브 제작과 시공시 열처리 및 용접작업의 불량
ㄹ. 운전 부주의로 인한 튜브 온도 급격한 변화
② 현상
보일러수의 보충 수량(Make Up Water Flow) 이 증가되면서 급수
량과 증기량의 편차가 많아진다.
ㄱ. 드럼 수위가 낮아진다.
ㄴ. 노 내부 압력이 급격히 증가하며, 연소가스가 노 밖으로 분출
된다.
ㄷ. 노에서 연소상태가 불량하여 화염이 어두워지는 경우도 있다.
ㄹ. 분출음이 들리며, 연돌에서 수증기가 배출된다.
이 같은 현상으로 튜브 파열을 감지하는데, 이때 고장이 확대
되지 않도록 조기에 발견하는 것이 중요하다.
<그림 3-19> 보일러 튜브의 파열 모양
③ 조치 사항
ㄱ. 운전원은 유인 송풍기의 과부하를 방지하기 위해서 운전상태를
수동으로 전환하고 유인송풍기 부하를 조절해야 한다.
ㄴ. 드럼 수위를 유지할 수 있으면 급전 사정을 고려하여 정상적인
절차에 의해 보일러를 정지시킨다.
ㄷ. 드럼 수위를 유지할 수 없으면 보일러를 비상정지 시킨다.
3) 튜브 파열 방지 대책
① 보일러 기동, 정지시 온도 변화율을 허용치 이내로 준수하고, 출력
의 급격한 변화를 방지한다.
② 제매작업시 배관을 충분히 예열하고, 드레인 배출을 철저히 한다.
③ 연소가스의 편류를 방지하기 위해서 편류 방지판(Baffle Plate)을
설치하고, 연소가스 속도가 빠른 부위와 제매(Soot Blowing)증기
가 접촉되는 부분에 마모 방지판(Tube Shield)을 설치한다.
④ 보일러 급수 처리를 철저히 하여 튜브 내면에 물때(Scale) 생성을
방지 한다.
⑤ 튜브 상태를 파악하여 장,단점 교체 계획을 수립한다.
**포화증기**
상온에서 액체나 고체 상태 물질은 끊임없이 증발하여 기체 상태로 변
한다. 그러나 한정된 공간에서는 어느 정도 증발하면 더 이상 증발하지 않고 평형상태를 이룬다. 이런 상태의 기체를 액체나 고체의 포화증기라 하며, 이 때의 압력을 포화증기압이라 한다. 물은 포화상태에 있으면 포화증기와 포화수의 혼합물로서 존재한다. 이때 포화증기의 질량분율을 증기건도(dryness)라고 한다.
포화증기압의 값은 물질에 따라 다른데, 대체로 온도가 올라감에 따라
증가한다. 예를 들면 공기의 경우 높은 기온에서는 수증기를 많이 함유하고, 낮은 기온에서는 수증기를 적게 함유한다. 온도와 포화증기압의 관계는 클라우지우스-클라페롱(Clausius-Clapeyron) 이론의 공식으로 나타낼 수 있다. 고체와 평형상태를 이룰 때의 포화증기압은 별도로 승화압(昇化壓)이라고도 한다.
**과열증기**
압력을 일정하게 해 두고 액체를 가열하면 온도가 올라가고, 일정온도에 달하면 증발하기 시작한다. 이 경우 다시 가열하더라도 전부가 증발할 때까지는 온도가 변하지 않고 액체와 증기가 공존한다. 이것을 습윤포화증기(濕潤飽和蒸氣)라 하고, 전부 증기가 되어 버린 것을 건조포화증기라 한다. 건조포화증기를 다시 가열하면 증기의 온도는 상승하는데, 이것을 과열증기라 한다. 이 증기를 이용하면 보일러·엔진·터빈의 효율이 좋아진다.
출처: <http://www.kemco.or.kr/up_load/blog/Boiler의%20종류%20및%20특성.doc>
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아침 종합뉴스 헤드라인이 뉴욕증시와 텍사스 중질유의 가격동향으로 차지한지 이미 오래다. 우리나라는 모두가 알고 있듯이 에너지 다소비 국가지만 매일 아침에 유가의 흐름을 왜 들어야하는지 우리가 에너지를 어느 정도 소비 하는지는 거의 관심이 없다. 또한 국내 산업에서 사용하는 양도 막대한 것으로 보이나 사실 어느 정도인지 가늠하기 어렵 다고 하겠다. 공업로는 철강산업 및 자동차산업 등 소재 및 제품 생산과정에서 필수적인 설비이다. 쇳물을 녹이는 용강로, 전기로에서 각종의 열처리로까지 모두 에너지를 대단위로 사용하는 것으로 이 분야에서의 에너지 절약은 앞으로 우리나 라가 얻을 수있는 효과 중 상당부분을 자치하는 것으로 있다고 판단된다. 낮은 에너지효율
세계각국의 에너지 소비량 통계
우리나라의 에너지 소비에 대한 내용을 간단히 소개하면 다음과 같다. ● 2003년 우리나라의 1차 에너지 총소비량은 2억1,200만TOE로 세계 총 소비량의 2.2%를 점유 하여 세계 10위 수준● 우리나라의 1인당 소비량은 4,424kg으로 세계 평균 소비량의 2.9배를 소비하여 세계17위 수준● 교토의정서의 발효로 국내에서도 배출가스의 량을 줄이는 것이 절실 한편 에너지 효율 면에서 보면 우리나라의 소비상황은 감히 심각한 상태라고 할 수 있다. 우리와 일본은 에너지는 부족한데 에너지 사용은 많은 제조업 강국이라는 공통점을 가지고 있다. 하지만 일본의 에너지효율은 한국보다 3배나 높고 선진국 평균보다도 50~70% 이상 앞서 있다. 국제에너지 기구(IEA) 자료에 따르면 2003년 기준 일본의 에너지원단위는 0.11TOE(석유환산ｔ)로 경제협력개 발기구 국가 평균인 0.201TOE 절반 수준이다. 에너지원단위란 국가의 국내총생산(GDP) 1000달러를 생산하는 데 필요한 에너지 소비량을 나타내는 것으로 에너지를 얼마나 효율적으로 사용하고 있는지를 알 수 있다. 한국은 2005년 0.359TOE로 에너지효율이 일본보다 3배 이상 낮다. 이와 같은 현상은 우리나라 경제에서 철강, 석유 화학 등 에너지를 많이 쓰는 중화학공업이 차지하는 비중이 높은 데다, 에너지절감 기술 개발을 통해 에너지 저소비 구조로 전환하려는 노력을 소홀히 했기 때문이라고 할 수 있다. 생산설비를 설계할 때부터 에너지를 적게 쓸 수 있는 구조로 만들 려는 노력이 절실한 상태이다. 공업로의 에너지원
공업용 내부의 가스연소 장면
공업로는 철강, 비철, 요업, 화학공업, 환경관련등 모든 산업분야에 있어 필수 설비이지만, 에너지를 다량으로 소비하는 설비이며, 해당부분의 에너 지소비량의 약 70%를 공업로 및 보일러 등이 점유하고 있다. 또한 CO2배출에 따른 지구온난화 및질소산화물에 의한 환경파괴 또한 프레온 등에 의한 오존층 파괴 등 지구환경 문제에 대한 관심이 높아지는 가운데 방대한 에너지를 소비하는 공업 연소의 정의
연소생성물
연소(Combustion)란 연료 중의 가연성 성분(탄소, 수소, 황)이 공기 중의 산소와 결합하여 산화되는 현상이다. 연소반응은 연료(C, H, S) ＋ 산소(O2)= 연소가스 ＋ 열에너지(반응열) 로 표현된다. - 가연성 : H2, C, S, 탄화수소계화합물(CmHn)- 조연성 : O2스스로 타지 않고 타물질의 연소를 도와주는 물질- 불연성 : N2, Ar, He. (산소와 반응하기 힘들다)산화가 용이하지 않은 물질 또는 활성화에 너지 양이 크게 필요로 하는 물질 연소시 발생하는 생성물은 다소 복잡한 듯하나N2, CO, CO2, O2, H2O, H2, NOX, SOX, CmHn 외에는 얻어지지 않는다. 실제조업에서 완전연소와 불완전연소로 구분되어지며, 그 반응 다음과 같이 표현된다. 연료(CmHn)+공기(O2+N2) →연소반응 →연소생성물 완전연소는 산소가 충분한 상태에서 가연분이 완전히 산화되는 반응 (λ=1.0)으로 다음의 발열반 응이 일어나며 이열을 이용해 용해, 가열, 열처리에 수행할 수 있게 되는 것이다. C＋O2= CO2＋ 97,000 kcal/moleH2＋ O2= H2O＋57,600 kcal/mole S＋O2= SO2＋ 70,900 kcal/mole 완전연소 조건은1) 충분한 온도(Temperature) : 연소반응이 시작되기 위한 최소한 온도2) 충분한 시간(Time) : 연소반응이 완결되기 위한 반응시간3) 충분한 혼합(Turbulence) : 가연분과 산소의 충분한 접촉 불완전연소는 산소가 불충분한 상태에서 가연분이 불완전하게 산화되는 반응으로 공기 중 산소의 농도가 떨어지면 불완전연소 상태가 되어 일산화 탄소(CO)가 발생하게 된다. CmHn + aO2→ bCO2+ cH2O + dCO + eH2,C ＋ ½O2= CO ＋ 29,600 kcal/mole 불완전 연소의 발생원인은 가스압력이 과다할 때, 가스압력에 비하여 공급 공기량이 부족할 때, 공기와의 접촉혼합이 불충분할 때, 연소된 폐가스의 배출이 불충분할 때, 불꽃의 온도가 저하되었을 때, 환기가 불충분한 공간에 연소기가 설치되었을때 등이다. 기체 연료의 특성치
기체 연료의 특성을 나타내는 중요한 수치는, 고위발열량, 저위발열량, 비중, 이론공기량, 최대 연소 속도 등의 특성치가 중요하다. 연료에 적합한 연소장치를 설계 또는 선택할 경우에는, 이것들의 모든 수치를 잘 검토하여 조건에 맞는 연소장치를 사용하지 않으면 안된다. 또, 기체연료는 공기중에 누출되는 경우에는, 화재, 폭발사고의 원인으로 되기 쉬운 물질을 갖고 있기 때문에 그 취급에 맞는 비중, 연소범위, 자기 착화 온도 등, 안전상의 중요한 모든 특성을 잘 조사하여, 미리 안전대책을 강구하는 것이 중요하다. 특히, 일산화탄소는 동식물에 대단히 유독한 물질로 공기중에 200ppm이상 혼입한 경우는 중독 증상을 일으키고 죽음에 이르는 위험성도 있기 때문에 이것을 사용할 때는 충분한 주의를 해야 할필요가 있다. 가스분석의 방법으로 Gas Chromatography 가 보급되어 가스조성이 단시 간에 정확히 분석 가능하도록 되었기 때문에, 이것 들의 수치의 실제측정이 생략되고 조성(분석치)이널리 알려지는 예가 많지만 조성이 있으면 계산에 의해 발열량, 비중, 이론공기량은 상당히 정확하게 계산하는 것이 가능하며 그 계산법도 간단하다. 조성으로부터 최대 연소속도, 연소범위도 계산할 수있지만 상당히 복잡하여 컴퓨터 계산을 요하기 때문에 여기에서는 생략한다. 기체연료의 종류는 탄화수소계화합물(CmHn)를 위시하여, H2, CO, CO2, O2, N2, SOX등을 포함하고 있다. 종류에 따라 성분의 구성차이가 많으며 지역에 따라서도 구성비가 차이가 나므로 꼭 확인하여야 한다. 고위발열량 (고발열량) 연료가스의 고위발열량은 가스분석치의 각 성분중 가연성분에 따라서 각각의 구성율은 χi, 그 각각의 성분의 발열량 Hi를 곱하여 그 총합을 구하면 된다. 식으로 나타내면으로 된다. 예를들면, H2: 30%, CH4: 53%, C3H8: 15%,N2: 2%의 가스의 경우는H = 3050×0.3 + 9540×0.53 + 24230×0.15H = 9605.7 Kcal/㎥으로 된다. 저위발열량 (저발열량) 같은 방법으로,으로 구한다. 또한, 도시가스의 경우는 U=0.9H라고 생각해도 큰 차가 없기 때문에, 보통은 간이계산으로 이 값을 사용한다. 이것은 일반적인 로설비에서 연소가스중의 수증기가 응축하지 않은 채로 배출되기 때문에 응축 열을 이용할 수 없기 때문이다. 비중 전체성분에 대하여를 구하고, 그 총합을 구한다. 가정용 가스 기구에 사용되는 버너의 경우는 Weber지수가 Input 결정에 중요한 의미를 갖지만, 일반의 공업용 버너에 대해서는 그다지 중요시 되고 있지 않다. 이론공기량
전체의 가연성분과 산소에 대해서을 구한다. 여기서 산소의 계수는 음의 값이 될 수도 있는것에 주의 해야만 한다. 가스 분석치, 즉 조성이 불분명한 연료가스라도 고위 또는 저위 발열량의 실제 측정치가 있는 경우 에는 간단히 이론공기량을 구하는 것이 가능하며이 값은 의외로 정확하다. A = H / 1000㎥/㎥ 또는 A = 1.1U /1000 예를 들면 4,500㎉/㎥의 6C 도시가스의 이론공 기량을 이 방법으로 구하면 A = 4.5가 되고 실제 측정치 A = 4.0 보다 약간 크게 되지만 이론공기 량은 약간 크게 계산된 경우가 있으나 실질적으로큰 문제가 되지 않으므로 종종 발열량으로부터 계산하기도 한다.(연소곡선 참조 ) 최대 연소속도
기체 연소의 취급상 특히 주의할 점은 최대 연소 속도로 그 대소에 따라 버너의 구조가 크게 변한다. 일반적으로 수소H2는 가장 최대연소속도가 빠른 가스이며 H2가 30%이상 포함되어 있는 연료가 스의 최대 연소속도는 50cm/sec이상의 경우가 많지만 천연가스, LNG와 같이 H2를 포함하지 않는 탄화수소가 주체인 가스의 최대 연소속도는 37~42㎝/sec 정도가 된다. 이상, 가스 분석치에서 여러 종류의 정보를 얻을수 있는 것을 설명했지만 실제 문제로는 기체 연료는 조성이 때때로 조금씩 변화하기 때문에 분석치도 H235-40% 범위로 나타내는 경우가 많고 그대 로는 계산할 수 없기 때문에 평균치 혹은 대표적인 예로 계산하여 이것으로 충분히 연료의 전체 특성을 파악할 수가 있다. 아래 표는 각 기체연료의 중요한 특성치를 정리 하여 표시한 것이다. 가스연소는 다음 3요소를 충족하여야 이루어진다. - 연료 : 가연성(탈 수 있는)물질- 산소 : 공기로부터 공급- 온도 : 인화점 이상의 고온 역으로 가스연소에서의 소화는 연소의 조건중 1요소를 제거하면 가능하다. - 연료제거 : 가스 화재시 밸브를 잠근다. - 산소차단 : 모래살포, 담요로 불을 덮는다. - 온도하강 : 찬물을 불 위에 붓는다. 에너지 절약
공업로의 에너지 소모량을 고려할 때 그 규모와 효과는 간과할 수 없다. 특히 국내 에너지 효율면에서 선진 일본에 비해 1/3 정도로 그 수준은 개선의 여지가 무궁무진한 상태이다. 그럼에도 불구하고 미래가 밝지 못한 것 또한 현실이라 하겠다. 연료가스의 연소에 대한 여러 가지 특성을 설명 했는데 고효율 고성능의 공업로 설계에 반영하여이 열원의 손실을 극소화하는 것이 관건이라고 하겠다. 이제 국내의 공업로 수준은 나름대로 독자엔지 니어링 기술을 확보한 상태여서 처리 목적에 맞는 설계, 제작, 조업을 수행한다면 유효한 결과를 얻을 수 있다. 한가지 걱정되는 것은 국내에서는 에너지효율및 친환경 공업로에 대한 업체들의 의지가 부족하 다는데 문제가 있다. 공업로 분야에서는 연소열의 효율을 높이는기술이 에너지를 절약하고 환경부하를 줄이는 지름 길이다. 주요 항목으로 나타내면 다음과 같은 것이 핵심이라고 판단된다. - 열정산을 통한 최적 설계- 목적에 맞는 고효율 버너의 채택- 유효한 내화단열 시스템 적용- 공업로 및 부대설비의 통합제어시스템- 친환경적 경제성이 있는 시스템 구성- 에너지 절약 및 환경보존에 대한 강력한 의지 |
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연 소 이 론
경 상 북 도 소 방 학 교
<목 차>
제1장 연 소
제1절 연소 개론
1. 연소의 정의
2. 연소의 양상
3. 정상연소와 비정상연소
4. 완전연소와 불완전연소
5. 연소공기
6. 연소방정식
7. 연소불꽃의 색상
제2절 연소 용어
1. 인화점(인화 온도)
2. 발화점(착화점, 발화온도)
3. 연소점
4. 연소범위(vol%)
5. 연소속도
6. 증기밀도
7. 비점(沸點, Boiling point)
8. 비열(比熱 specific Heat)
9. 융점(融點, Melting point)
10. 잠열(潛熱, Latent Heat)
11. 점도(粘度, Viscosity)
제3절 연소의 3요소
1. 가연물질
2. 산소 공급원
3. 점화원
제4절 연소의 형태
1. 기체의 연소
2. 액체의 연소
3. 고체의 연소
제5절 연소의 확대
1. 전도
2. 대류
3. 복사
4. 비화(불똥)
제6절 이상(異常)연소 현상
1. 역화(Back fire)
2. 선화(Lifting)
3. 블로우 오프(blow-off)현상
4. 불완전연소
5. 연소 소음
제7절 연소생성물의 종류와 유해성
1. 일산화탄소(CO)
2. 이산화탄소(CO2)
3. 황화수소(H2S)
4. 아황산가스(SO2)
5. 암모니아(NH3)
6. 시안화수소(HCN)
7. 포스겐(COCl2)
8. 염화수소(HCl)
9. 이산화질소(NO2)
10. 불화수소(HF)
제2장 폭 발
제1절 폭발개론
1. 폭발의 정의
2. 폭발반응의 원인
3. 폭발의 성립 조건
제2절 폭발형태
1. 물리적 폭발과 화학적 폭발
2. 응상폭발과 기상폭발
제3절 폭발 한계
1. 폭발한계의 정의
2. 폭발하한계(LEL)
3. 폭발상한계(UEL)
4. 폭발한계에 대한 영향을 주는 요소
제4절 폭연과 폭굉
제3장 소 화
1. 냉각소화
2. 질식소화
3. 제거소화
4. 희석소화
제1장 연 소
제1절 연소 개론
1. 연소의 정의
연소란「가연물이 공기중의 산소 또는 산화제와 반응하여 열과 빛을 발생하면서 산화하는 현상」을 말하며, 발열반응이 계속되면 발생되는 열에 의해 가연물질이 고온화되어 연소는 계속 진행된다. 이러한 연소의 화학반응은 연소할 수 있는 가연물질이 공기 중의 산소뿐만 아니라 산소를 함유하고 있는 산화제에서도 일어나며 반응을 일으키기 위해서는 활성화에너지(최소 점화에너지)가 필요한데 이 에너지를 점화에너지․점화원․발화원 또는 최소점화(착화)에너지라고 하며 약 10-6 ～ 10-4[J]의 에너지가 필요하다.
가연물질의 활성화를 위해 필요한 에너지는 충격․마찰․자연발화․전기불꽃․정전기․고온표면․단열압축․자외선․충격파․낙뢰․나화․화학열 등에 의해 공급되고 있다.
[표 1] 가연성가스와 공기의 혼합가스 최소점화 에너지
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물 질 |
분자식 |
가연성가스농도(vol%) |
최소점화에너지(mj) |
|
메 탄 |
CH4 |
8.5 |
0.28 |
|
에 탄 |
C2H6 |
6.5 |
0.25 |
|
프 로 판 |
C3H8 |
5.0 ～ 5.5 |
0.26 |
|
부 탄 |
C4H10 |
4.7 |
0.25 |
|
헥 산 |
C6H14 |
3.8 |
0.24 |
|
벤 젠 |
C6H6 |
4.7 |
0.20 |
|
에틸에테르 |
C4H10O |
5.1 |
0.19 |
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아 세 톤 |
C3H6O |
― |
0.019 |
|
수 소 |
H2 |
28 ～ 30 |
0.019 |
|
이황화탄소 |
CS2 |
― |
0.019 |
2. 연소의 양상
연소는 대체로 불꽃연소와 표면연소(작열연소)의 두가지 양상으로 분류되는데 표면연소는 고체상태의 표면에 산소가 공급되어 연소가 이루어지며 불꽃연소는 고체가 융해후 증발, 액체가 증발하거나, 기체에 산소가 공급되어 연쇄반응을 일으키는 현상을 말한다.
불꽃연소는 단위시간당 방출하는 열량이 많아 연소속도가 매우 빠르고 그 양상도 복잡한데, 대략 연소시 발생하는 열량의 절반 이상은 가연물을 가열하여 연소가스의 방출에 소모되고 나머지는 주위의 복사열로 방출되는데 정상상태에서는 발생되는 열량과 주위로 잃어버리는 열량이 시간적으로 같으나 발생되는 열량이 더 많아지면 화세가 강해지고, 반대로 주위로 방출되는 열량이 많아지면 화세는 약해진다. 불꽃연소는 액체나 기체연료의 경우이지만 연탄․목재․종이․짚 등은 불꽃연소와 표면연소가 동시에 일어나다 휘발분이 모두 방출되면 표면연소만 일어난다.
표면연소만 일어나는 경우는 금속분, 목탄(숯), 코크스와 쉽게 산화될 수 있는 금속물질 즉 알루미늄, 마그네슘, 나트륨 등에서 일어난다.
3. 정상연소와 비정상연소
액체나 고체의 경우에는 공기의 공급에 따라서 주어진 산소의 양 만큼만 연소하게 되므로 비정상연소는 일어나지 않지만 기체의 연소에 있어서는 산소가 공급되는 방법에 따라 정상연소 또는 비정상연소를 하게 된다.
가. 정상연소
가연물질의 연소시 충분한 공기의 공급이 이루어지고 연소시의 기상조건이 양호할 때에는 정상적인 연소가 이루어지므로 화재의 위험성이 적으며, 연소상의 문제점이 발생되지 않고 연소장치․기기 및 기구에서의 열효율도 높다.
나. 비정상연소
가연물질의 연소시 공기의 공급이 불충분하거나 기상조건이 좋지 않아 정상적으로 연소가 이루어지지 않고 이상현상이 발생되므로 화재의 위험성이 많으며, 연소상의 문제점이 많이 발생함으로써 연료를 취급․사용하는 연소장치․기기 및 기구의 안전관리에 주의가 요구된다.
4. 완전연소와 불완전연소
가연물질이 연소하면 가연물질을 구성하는 주성분인 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)에 의해 일산화탄소(CO)․이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)가 발생한다. 이때, 공기중의 산소 공급이 충분하면 완전연소반응이 일어나고 산소의 공급이 불충분하면 불완전연소반응이 일어나며, 주로 완전연소시에는 이산화탄소(CO2)가 불완전연소시에는 일산화탄소(CO)가스가 발생한다.
5. 연소공기
가연물질을 연소시키기 위해서 사용되는 공기의 양에는 실제공기량, 이론공기량, 과잉공기량, 이론산소량, 공기비 등이 있다.
가. 실제공기량
가연물질을 실제로 연소시키기 위해서 사용되는 공기량으로서 이론공기량보다 크다
나. 이론공기량
가연물질을 연소시키기 위해서 이론적으로 계산하여 산출한 공기량이다
다. 과잉공기량
실제공기량에서 이론공기량을 차감하여 얻은 공기량이다.
라. 이론산소량
가연물질을 연소시키기 위해서 필요한 최소의 산소량이다.
마. 공기비(m)
실제공기량에서 이론공기량을 나눈 값
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과잉공기량 |
= |
실제공기량 |
- |
이론공기량 |
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공기비 |
= |
실제공기량 |
= |
실제공기량 |
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이론공기량 |
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실제공기량 |
- |
과잉공기량 |
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일반적으로 공기비는 기체가연물질은 1.1～1.3, 액체가연물질은 1.2～1.4, 고체가연물질은 1.4～2.0이 된다.
[표 2] 가연성가스의 이론공기량 및 연소열
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가연물질 |
분자식 |
분자량 |
이론공기량 |
|
연소열(㎉/㎏) |
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|
Nm3/㎏ |
Nm3/㎏ |
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메 탄 |
CH4 |
16.043 |
9.524 |
13.304 |
212.80 |
|
에 탄 |
C2H6 |
30.070 |
16.667 |
12.421 |
372.82 |
|
프로판 |
C3H8 |
44.097 |
23.810 |
12.100 |
530.60 |
|
n-부탄 |
C4H10 |
58.124 |
30.953 |
11.934 |
687.64 |
|
에틸렌 |
C2H4 |
28.054 |
14.286 |
11.412 |
337.15 |
|
아세틸렌 |
C2H2 |
26.038 |
11.905 |
10.246 |
310.62 |
그러므로 가연성 가스를 공기중에서 연소시킬 때 공기중의 산소 농도가 증가하면
① 연소속도는 빨라진다.
② 화염의 온도는 높아진다.
③ 발화온도는 낮아진다.
④ 폭발한계는 넓어진다.
⑤ 점화에너지는 작아진다.
또한, 불완전연소의 원인은
① 가스의 조성이 균일하지 못할 때
② 공기 공급량이 부족할 때
③ 주위의 온도가 너무 낮을 때
④ 환기 또는 배기가 잘 되지 않을 때 등이다.
6. 연소방정식
탄소(C)와 수소(H)로 구성된 탄화수소계 가연성가스에 대한 연소방정식은 일반적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
가연성가스인
은 완전연소 시키면 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 발생되나 공기의 양이 부족하면 불완전연소하여 일산화탄소(CO)가 발생된다.
예) 탄화수소계 가연성가스의 완전연소식
•부탄(C4H10) : C4H10 + 6.5O2 → 4CO2 + 5H2O + 687.64㎉
•프로판(C3H8) : C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + 530.60㎉
•메탄(CH4) : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 212.80㎉
앞의 예)에서 보면 액화천연가스의 주성분인 메탄이 연소할 때에는 2몰, 부탄은 6.5몰, 프로판은 5몰의 산소가 필요한데 프로판이나 부탄이 연소할려면 메탄보다 2～3배의 산소가 더 필요한 것을 알 수 있다.
이론 공기량을 구해보면
이론산소량 = 이론공기량 × 21/100 이므로
이론공기량 = 이론산소량 ÷ 0.21
그러므로 부탄은 31, 프로판은 24, 메탄은 9.5배의 공기가 필요하다.
7. 연소불꽃의 색상
가연물질의 완전연소시에는 공기의 공급량이 충분하기 때문에 연소불꽃은 휘백색으로 나타나고 보통 불꽃온도는 1500℃에 이르게 되며 금속이 탈때는 3000℃내지 3500℃에 이른다. 그러나 공기중의 산소의 공급이 부족하면 연소불꽃은 담암적색에 가까운 색상을 나타내며 생성물인 일산화탄소를 많이 발생하여 사람이 마시면 혈액 속에 들어있는 헤모글로빈과 결합으로 질식사하게 된다.
[표 3] 연소불꽃의 색상에 따른온도
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연소불꽃의 색 |
온도(℃) |
|
연소불꽃의 색 |
온도(℃) |
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암 적 색 |
700 |
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황 적 색 |
1100 |
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적 색 |
850 |
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백 적 색 |
1300 |
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휘 적 색 |
950 |
|
휘 백 색 |
1500이상 |
제2절 연소 용어
1. 인화점(인화 온도)
연소범위에서 외부의 직접적인 점화원에 의하여 인화될 수 있는 최저 온도 즉, 공기 중에서 가연물 가까이 점화원을 투여하였을 때 불붙는 최저의 온도이다. 예를들면 디에틸에테르의 경우는 -45℃이하에서 인화성 증기를 발생하여 연소 범위를 만들어 점화원에 의하여 인화한다.
[표 4] 액체가연물질의 인화점
|
액체가연물질 |
인화점(℃) |
|
액체가연물질 |
인화점(℃) |
|
디에틸에테르 |
-45 |
|
클레오소오드유 |
74 |
|
이황화탄소 |
-30 |
|
니트로벤젠 |
87.8 |
|
아세트알데히드 |
-37.7 |
|
글리 세 린 |
160 |
|
아 세 톤 |
-18 |
|
방 청 유 |
200 |
|
휘 발 유 |
-20 ～ -43 |
|
메 틸 알 콜 |
11 |
|
톨 루 엔 |
4.5 |
|
에 틸 알 콜 |
13 |
|
등 유 |
30 ～ 60 |
|
시안화수소 |
-18 |
|
중 유 |
60 ～ 15 |
|
초 산 에 틸 |
-4 |
2. 발화점(착화점, 발화온도)
외부의 직접적인 점화원이 없이 가열된 열의 축적에 의하여 발화가 되고 연소가 되는 최저의 온도, 즉 점화원이 없는 상태에서 가연성 물질을 공기 또는 산소 중에서 가열하므로써 발화되는 최저 온도를 말한다.
일반적으로 산소와의 친화력이 큰 물질일수록 발화점이 낮고 발화하기 쉬운 경향이 있으며 고체 가연물의 발화점은 가열공기의 유량, 가열속도, 가연물의 시료나 크기, 모양에 따라 달라진다.
발화점은 보통 인화점보다 수 백도가 높은 온도이며 화재 진압 후 잔화정리를 할때 계속 물을 뿌려 가열된 건축물을 냉각시키는 것은 발화점(착화점) 이상으로 가열된 건축물이 열로 인하여 다시 연소되는 것을 방지하기 위한 것이다.
일반적으로 발화점이 낮아지는 이유로는 ①분자의 구조가 복잡할수록 ②발열량이 높을수록 ③압력, 화학적 활성도가 클수록 ④산소와 친화력이 클수록 ⑤금속의 열전도율과 습도가 낮을수록 등이다. 또한 발화점이 달라지는 요인으로는 ①가연성가스와 공기의 조성비 ②발화를 일으키는 공간의 형태와 크기 ③가열속도와 가열시간 ④발화원의 재질과 가열방식 등에 따라 달라진다.
[표 5] 가연물질의 발화점
|
물 질 |
발화점(℃) |
|
물 질 |
발화점(℃) |
|
황 린 |
34 |
|
셀롤로이드 |
180 |
|
이황화탄소 |
100 |
|
무 연 탄 |
440 ～ 500 |
|
적 린 |
260 |
|
목 탄 |
320 ～ 400 |
|
에틸알콜 |
363 |
|
고 무 |
400 ～ 450 |
|
탄 소 |
800 |
|
프 로 판 |
423 |
|
목 재 |
400 ～ 450 |
|
일산화탄소 |
609 |
|
견 사 |
650 |
|
헥 산 |
223 |
|
휘 발 유 |
257 |
|
암모니아 |
351 |
|
부 탄 |
365 |
|
산화에틸렌 |
429 |
2015-08-19 오후 2:37 - 화면 캡처
(A) (B)
(그림 1) 인화와 발화의 차이
3. 연소점
연소상태가 계속될 수 있는 온도를 말하며 일반적으로 인화점보다 대략 10℃정도 높은 온도로서 연소상태가 5초이상 유지될 수 있는 온도이다. 이것은 가연성 증기 발생속도가 연소 속도보다 빠를 때 이루어진다.
4. 연소범위(vol%)
가연성증기와 공기와의 혼합 상태에서의 증기의 부피를 말하며 연소 농도의 최저 한도를 하한, 최고 한도를 상한이라 한다.
예를 들면, 수소와 공기 혼합물은 대기압 21℃에서 수소비율 4.0～75%의 경우 연소가 계속된다.
혼합물중 가연성 가스의 농도가 너무 희박해도 너무 농후해도 연소는 일어나지 않는데 이것은 가연성 가스의 분자와 산소와의 분자수가 상대적으로 한쪽이 많으면 유효충돌횟수가 감소하여 충돌했다 하더라도 충돌에너지가 주위에 흡수․확산되어 연소반응의 진행이 방해되기 때문이다. 연소 범위는 온도와 압력이 상승함에 따라 대개 확대되어 위험성이 증가한다.
[표 6] 가연성증기의 연소범위
|
기체 또는 증기 |
연소범위(vol%) |
|
기체 또는 증기 |
연소범위((vol%) |
|
수소 |
4.1 ～ 75 |
|
에틸렌 |
3.0 ～ 33.5 |
|
일산화탄소 |
12.5 ～ 75 |
|
시안화수소 |
12.8 ～ 27 |
|
프로판 |
2.1 ～ 9.5 |
|
암모니아 |
15.7 ～ 27.4 |
|
아세틸렌 |
2.5 ～ 82 |
|
메틸알콜 |
7 ～ 37 |
|
에틸에테르 |
1.7 ～ 48 |
|
에틸알콜 |
3.5 ～ 20 |
|
메탄 |
5.0 ～ 15 |
|
아세톤 |
2 ～ 13 |
|
에탄 |
3.0 ～ 12.5 |
|
휘발유 |
1.4 ～ 7.6 |
5. 연소속도
가연물질에 공기가 공급되어 연소가 되면서 반응하여 연소생성물을 생성할 때의 반응속도이며 연소생성물 중에서 불연성 물질인 질소(N2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2) 등의 농도가 높아져서 가연물질에 산소가 공급되는 것을 방해 또는 억제시킴으로서 연소속도는 저하된다.
연소속도에 영향을 미치는 요인으로는
① 가연물의 온도 ② 산소의 농도에 따라 가연물질과 접촉하는 속도
③ 산화반응을 일으키는 속도 ④ 촉매 ⑤ 압력 등이 있다.
온도가 높아질수록 반응속도가 상승하며, 압력을 증가시키면 단위부피 중의 입자수가 증가하므로 결국 기체의 농도가 증가하므로 반응속도도 상승한다.
촉매는 반응속도를 변화시키는 물질로서 반응속도를 빠르게 하는 정촉매와 반응속도를 느리게 하는 부촉매가 있다.
6. 증기밀도
어떤 증기의 "증기밀도"는 같은 온도, 같은 압력하에서 동 부피의 공기의 무게에 비교한 것으로 증기 밀도가 1보다 큰 기체는 공기보다 무겁고 1보다 적으면 공기보다 가벼운 것이 된다.
증기밀도 =
(29 : 공기의 평균 분자량)
탄산가스는 분자량이 44이기 때문에 공기보다 무거워서 소화기에서 방출되면 낮은 아래 부분에 쌓이게 된다. 온도가 올라가면 증기밀도는 적어지기 때문에 연소시 생성된 뜨거운 가스가 위로 올라가는 것은 이러한 이유이다.
7. 비점(沸點, Boiling point)
액체의 증기압은 대기압에서 동일하고 액체가 끓으면서 증발이 일어날 때의 온도를 액체의 비점이라 한다. 비점이 낮은 경우는 액체가 쉽게 기화되므로 비점이 높은 경우보다는 연소가 잘 일어난다. 일반적으로 비점이 낮으면 인화점이 낮은 경향이 있는데 예를 들면 휘발유는 비점이 30～210℃, 인화점은 -43～-20℃인데, 등유의 비점은 150～300℃, 인화점이 40～70℃이다.
8. 비열(比熱 specific Heat)
물질에 따라 비열은 많이 다르다. 물 이외의 모든 물질은 대체로 비열이 1보다 적다. 비열은 어떤 물체를 위험 온도까지 올리는 데 필요한 열량이나 고온의 물체를 안전한 온도로 냉각시키는 데 제거하여야 할 열량을 나타내는 비교 척도이므로 중요하다.
물이 소화제로서 효과가 있는 이유 중의 하나가 그 비열이 다른 물질보다 크다는 점이다.
9. 융점(融點, Melting point)
대기압(latm)하에서 고체가 용융하여 액체가 되는 온도를 융점이라고 말한다. 융점이 낮은 경우 액체로 변화하기가 용이하고 화재 발생시에는 연소구역의 확산이 용이하기 때문에 위험성이 매우 높다.
10. 잠열(潛熱, Latent Heat)
어떤 물질이 고체에서 액체로 변할 때나 액체에서 기체로 변할 때는 열을 흡수한다. 역으로 액체에서 고체로, 기체에서 액체로 변할 때 출입하는 열을 융해 잠열이라 하고, 고체가 액체로, 액체가 기체로 변할 때 출입하는 열을 증발잠열이라 한다.
대기압에서의 물의 융해잠열은 80cal/g, 100℃에서의 증발 잠열은 539cal/g이다. 물의 증발잠열이 큰 것은 물이 좋은 소화제가 될 수 있는 이유 중의 하나이다. 0℃의 얼음 1g이 100℃의 수증기가 되기까지는 약 719cal의 열량을 요한다. 대개의 물질은 잠열이 물보다 적다.
11. 점도(粘度, Viscosity)
액체의 점도는 점착과 응집력의 효과로 인한 흐름에 대한 저항의 측정 수단이다. 모든 액체는 점성을 가지고 있다. 인화성 위험물은 상온에서 액체상태의 경우가 많으므로, 온도가 상승하는 경우 인화점, 발화점 등을 주의하도록 하여 취급하지만 점성이 낮아 지면 유동하기에 용이하여 진다. 그러나 기체의 점도는 온도가 상승하므로써 점도가 증가하지만 기체의 점도의 크기에 따라서 위험성 증가와는 특별한 관계가 없다.
제3절 연소의 3요소
가연물질(기체․액체 및 고체상태)이 연소하기 위해서는 산소를 공급하는 산소공급원(공기․오존․산화제․지연성가스) 및 활성화 에너지(점화원)가 있어야만 정상적인 연소의 화학반응을 유지할 수 있는데 이와 같이 연소반응의 유지를 위해서 사용되는 가연물질․산소공급원․활성화에너지를 연소의 3요소라고 한다. 또한 연소의 3요소에 화학적인 연쇄반응을 합하여 연소의 4요소라 한다.
(그림 2) 연소의 4요소
1. 가연물질
가연물은 우리 주위에 무수히 많이 잔존해 있는 유기화합물의 대부분과 Na, Mg 등의 금속, 비금속, LPG, LNG, CO 등의 가연성 가스가 해당되는데 즉, 산화하기 쉬운 물질이며 이는 산소와 발열반응을 일으키는 물질을 말한다. 이에비하여 불연성 물질은 반대로 산화하기 어려운 것(활성화에너지의 양이 큰 물질)으로서 물, 흙과 같이 이미 산화되어 더이상 산화되지 아니하는 물질이다.
가. 가연물질의 구비조건
가연물질이 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다.
1) 화학반응을 일으킬 때 필요한 최소의 에너지(활성화에너지)의 값이 적어야 한다.
2) 일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할 때 발열량이 커야 한다.
3) 열의 축적이 용이하도록 열전도의 값이 적어야 한다.
〔열전도율 : 기체<액체<고체 순서로 커지므로 연소순서는 반대이다〕
4) 지연성(조연성) 가스인 산소․염소와의 친화력이 강해야 한다.
5) 산소와 접촉할 수 있는 표면적이 큰 물질이어야 한다.(기체>액체>고체)
6) 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질이어야 한다.
나. 가연물이 될 수 없는 조건
1) 주기율표 O족의 불활성기체로서 이들은 결합력이 없으므로 산소와 결합하지 못한다
: 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 등
2) 이미 산소와 결합하여 더이상 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질
:물(H2O), 이산화탄소(CO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 오산화인(P2O5), 삼산화황(SO3), 삼산화크롬(CrO3), 산화안티몬(Sb2O3) 등
※ 일산화탄소(CO)는 산소와 반응하기 때문에 가연물이 될 수 있다.
CO + O2 → CO2 + Q㎉
3) 산소와 화합하여 산화물을 생성하나 발열반응을 하지 않고 흡열반응하는 물질
: 질소 또는 질소 산화물 N2, NO 등
N2 + O2 → N2O - Q㎉
N2 + O2 → 2NO - Q㎉
4) 자체가 연소하지 아니하는 물질 : 돌, 흙 등
2. 산소 공급원
가연물이 연소하려면 산소와 혼합되어 불이 붙을 수 있는 조건을 만들어야 하는데, 이를 연소 범위라 한다. 보통 공기 중에는 약 21%의 산소가 포함되어 있어서 공기는 산소공급원 역할을 할 수 있다. 일반적으로 산소의 농도가 높을수록 연소는 잘 일어나고 일반 가연물인 경우 산소농도 15%이하에서는 연소가 어렵다. 이밖에도 물질 자체가 분자내에 산소를 보유하고 있어서 마찰․충격 등의 자극에 의해 산소를 방출하는 물질이 있는데 이를 산화성물질이라 하며 화재에서 산소 공급원 역할을 하는 위험한 물질이므로 위험물안전관리법에서 위험물로 분류하여 관리하고 있다.
가. 공기
일반적으로 공기중에 함유되어 있는 산소(O2)의 양은 용량으로 계산하면 전체 공기의 양에 대하여 21용량%(vol%)이며, 질량으로 계산하면 23중량%(wt%)로 존재하고 있어 연소에 필요한 산소는 공기중의 산소가 이용되고 있다.
[표 7] 공기의 조성범위
|
성 분 조성비 |
산 소 |
질 소 |
이산화탄소 |
희가스 |
|
용량(vol%) |
20.99 |
78.03 |
0.03 |
0.95 |
|
중량(wt%) |
23.15 |
75.51 |
0.04 |
1.30 |
나. 산화제
위험물 중 제1류․제6류 위험물로서 가열․충격․마찰에 의해 산소를 발생한다. 제1류위험물은 산소를 함유하고 있는 강산화제로서 염소산염류, 과염소산염류, 과산화물, 질산염류, 과망간산염류, 무기과산물류 등과 제6류 위험물인 과염소산, 질산 등이 있다.
1) 과산화칼륨(K2O2) : 물과 접촉하거나 가열하면 산소를 발생시킨다.
2K2O2 + 4H2O → 4KOH + 2H2O + O2↑
2K2O2
2K2O + O2↑
2) 과산화나트륨(Na2O2) : 수용액은 30～40℃의 열을 가하면 산소를 발생시킨다.
2Na2O2
2NaO + O2↑
3) 질산나트륨(NaNO3) : 조해성이 있어 열을 가하면 아질산나트륨과 산소가 발생한다.
2NaNO3
2NaNO2 + O2↑
다. 자기반응성 물질
분자내에 가연물과 산소를 충분히 함유하고 있는 제5류 위험물로서 연소속도가 빠르고 폭발을 일으킬 수 있는 물질이며, 니트로글리세린(NG), 셀룰로이드, 트리니트로 톨루엔 등이 있다.
3. 점화원
연소반응이 일어나려면 가연물과 산소공급원이 적절한 조화를 이루어 연소범위를 만들었을 때 외부로부터 최소의 활성화 에너지가 필요한데 이를 점화원이라 하며 전기불꽃, 충격 및 마찰, 단열압축, 나화 및 고온표면, 정전기 불꽃, 자연발화, 복사열 등이 있다.
가. 전기불꽃
전기설비의 회로상에서나 전기기기․기구 등을 사용하는 장소에서 접점스파크나 고전압에 의한 방전, 조명기구 등이 파손되면서 과열된 필라멘트가 노출되는 경우, 자동제어기의 경우 릴레이의 접점, 모터의 정류자 등 작은 불꽃에서도 충분히 가연성 가스를 착화시킬 수 있는 에너지가 있다.
나. 충격 및 마찰
두 개 이상의 물체가 서로 충격․마찰을 일으키면서 작은 불꽃을 일으키는데, 이러한 마찰불꽃에 의하여 가연성 가스에 착화가 일어날 수 있다.
다. 단열압축
기체를 높은 압력으로 압축하면 온도가 상승하는데, 여기에 각종 오일이나 윤활유가 열분해 되어 저온 발화물을 생성하며 발화물질이 발화하여 폭발을 하게 된다.
라. 나화 및 고온표면
나화란 항상 화염을 가지고 있는 열 또는 화기로서 위험한 화학물질 및 가연물이 존재하고 있는 장소에서 나화의 사용은 대단히 위험하다. 고온표면의 중요한 것은 작업장의 화기, 가열로, 건조장치, 굴뚝, 전기․기계설비 등으로서 항상 화재의 위험성이 내재되어 있다.
마. 정전기 불꽃
정전기 불꽃이란 물체가 접촉하거나 결합한후 떨어질 때 양(+)전하와 음(-)전하로 전하의 분리가 일어나 발생한 과잉전하가 물체(물질)에 축적되는 현상을 말하는데, 이렇게 되는 경우 정전기의 전압은 가연물질에 착화가 가능하다. 예를 들면 화학섬유로 만든 의복 및 절연성이 높은 옷 등을 입으면 대단히 높은 전위가 인체에 대전되어 접지 물체에 접촉하면 방전불꽃이 발생한다.
정전기를 방지하기 위한 예방대책은
1) 정전기의 발생이 우려되는 장소에 접지시설을 한다.
2) 실내의 공기를 이온화하여 정전기의 발생을 예방한다.
3) 정전기는 습도가 낮거나 압력이 높을 때 많이 발생하므로 습도를 70% 이상으로 한다.
4) 전기의 저항이 큰 물질은 대전이 용이하므로 전도체 물질을 사용한다.
바. 자연발화
인위적으로 가열하지 않아도 원면, 고무분말, 셀룰로이드, 석탄, 프라스틱의 가소제, 금속가루 등의 경우 일정한 장소에 장시간 저장하면 열이 발생하여 축적됨으로서 발화점에 도달하여 부분적으로 발화되는 현상을 말한다.
자연발화를 일으키는 원인에는
1) 분해열에 의한 발열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로우스
2) 산화열에 의한 발열 : 석탄, 건성유
3) 발효열에 의한 발열 : 퇴비, 먼지
4) 흡착열에 의한 발열 : 목탄, 활성탄 등이 있다.
자연발화를 방지할 수 있는 방법으로는
1) 통풍구조를 양호하게 하여 공기유통을 잘 시킬 것.
2) 저장실 주위의 온도를 낮춘다.
3) 습도 상승을 피한다.
4) 열이 쌓이지 않도록 퇴적한다.
사. 복사열
물질에 따라서 비교적 약한 복사열도 장시간 방사로 발화 될 수 있다. 예를 들어 햇빛이 유리나 거울에 반사되어 가연성 물질에 장시간 쪼일 때 열이 축적되어 발화될 수 있다.
제4절 연소의 형태
연소의 형태는 기체가연물․액체가연물 및 고체가연물을 구성하는 분자의 구조, 원소성분, 물성 등에 따라 기체연소․액체연소․고체연소로 분류되며 연소의 상태에 따라 정상적으로 연소하는 정상연소와 폭발적으로 연소하는 비정상연소로 구분된다.
1. 기체의 연소
가연성 기체는 공기와 적당한 부피비율로 섞여 연소범위에 들어가면 연소가 일어나는데 기체의 연소가 액체 가연물질 또는 고체 가연물질의 연소에 비해서 가장 큰 특징은 연소시의 이상 현상인 폭굉이나 폭발을 수반한다는 것이다.
기체의 연소형태는 확산연소, 예혼합연소, 폭발연소로 나눌 수 있다.
가. 확산연소(발염연소)
연소버너 주변에 가연성 가스를 확산시켜 산소와 접촉, 연소범위의 혼합가스를 생성하여 연소하는 현상으로 기체의 일반적 연소 형태이다.
예를 들면 LPG - 공기, 수소 - 산소, 아세틸렌 - 산소의 경우이다.
나. 예혼합연소
연소시키기 전에 이미 연소 가능한 혼합가스를 만들어 연소시키는 것으로 혼합기로의 역화를 일으킬 위험성이 크다.
다. 폭발연소
가연성 기체와 공기의 혼합가스가 밀폐용기 안에 있을 때 점화되면 연소가 폭발적으로 일어나는데 예혼합연소의 경우에 밀폐된 용기로의 역화가 일어나면 폭발할 위험성이 크다. 이것은 많은 양의 가연성 기체와 산소가 혼합되어 일시에 폭발적인 연소현상을 일으키는 비정상연소이기도 하다.
2. 액체의 연소
액체 가연물질의 연소는 액체 자체가 연소하는 것이 아니라 "증발"이라는 변화과정을 거쳐 발생된 기체가 타는 것이다.
액체 가연물질이 휘발성인 경우는 외부로부터 열을 받아서 증발하여 연소하는 것을 증발연소라 하고 액체가 비휘발성이거나 비중이 커 증발하기 어려운 경우에는 높은 온도를 가해 열분해 하여 그 분해가스를 연소시키는 것을 분해연소라 한다.
가. 증발연소(액면연소)
액체 가연물질이 액체 표면에 발생한 가연성 증기와 공기가 혼합된 상태에서 연소가 되는 형태로 액체의 가장 일반적인 연소형태이다.
연소원리는 화염에서 복사나 대류로 액체표면에 열이 전파되어 증발이 일어나고 발생된 증기가 공기와 접촉하여 액면의 상부에서 연소되는 반복적 현상이다.
예로서, 에테르, 이황화탄소, 알콜류, 아세톤, 석유류 등이다.
|
|
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산 소 |
|
|
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증발 |
↓ |
|
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액 체 |
→ |
증 기 |
→ |
연 소 |
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|
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↑ |
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점화"에너지" |
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(그림 3) 증발연소
나. 분해연소
점도가 높고 비휘발성이거나 비중이 큰 액체 가연물이 열분해 하여 증기를 발생케 함으로서 연소가 이루어지는 형태이며 이는 상온에서 고체상태로 존재하고 있는 고체 가연물질의 경우도 분해연소의 형태를 보여준다.
또한 점도가 높고 비휘발성인 액체의 점도를 낮추어 버너를 이용하여 액체의 입자를 안개상태로 분출하여 표면적을 넓게 함으로서 공기와의 접촉면을 많게 하여 연소시키는 액적연소도 있다.
3. 고체의 연소
상온에서 고체상태로 존재하는 고체 가연물질의 일반적 연소형태는 표면연소, 증발연소, 분해연소, 자기연소로 나눌 수 있다.
가. 표면연소(직접연소)
고체 가연물이 열분해나 증발하지 않고 표면에서 산소와 급격히 산화 반응하여 연소하는 현상 즉, 목탄 등이 열분해에 의해서 가연성 가스를 발생하지 않고 그 물질 자체가 연소하는 현상으로 불꽃이 없는 것(무염연소)이 특징이다.
예로서, 목탄, 코우크스, 금속(분․박․리본 포함) 등의 연소가 해당되며 나무와 같은 가연물의 연소 말기에도 표면연소가 이루어진다.
나. 증발연소
고체 가연물이 열분해를 일으키지 않고 증발하여 증기가 연소되거나 먼저 융해된 액체가 기화하여 증기가 된 다음 연소하는 현상을 말한다. 이것은 액체 가연물질의 증발연소 형태와 같으며 황(S), 나프탈렌(C10H8), 파라핀(양초) 등이 있다.
다. 분해연소
고체 가연물질을 가열하면 열분해를 일으켜 나온 분해가스 등이 연소하는 형태를 말하며 열분해에 의해 생기는 물질에는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 메탄(CH4) 등이 있다.
분해연소 물질에는 목재․석탄․종이․섬유․프라스틱․합성수지․고무류 등이 있으며 이들은 연소가 일어나면 연소열에 의해 고체의 열분해는 계속 일어나 가연물이 없어질 때까지 계속된다.
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산 소 |
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(열분해) |
↓ |
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유기고체 |
→ |
가 연 가 스 |
→ |
연 소 |
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|
↑ |
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점화에너지 |
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(그림 4) 분해연소
라. 자기연소(내부연소)
가연물이 물질의 분자 내에 산소를 함유하고 있어 열분해에 의해서 가연성 가스와 산소를 동시에 발생시키므로 공기 중의 산소없이 연소할 수 있는 것을 말한다.
위험물안전관리법시행령 별표 1의 제5류 위험물인 니트로셀룰로우스(NC), 트리니트로톨루엔(TNT), 니트로글리세린(NG), 트리니트로페놀(TNP) 등이 있으며 대부분 폭발성을 지니고 있으므로 폭발성물질로 취급되고 있다.
제5절 연소의 확대
연소시 발생한 열은 열 기류가 되어 다양한 형태로 이동되어 연소확대의 요인이 되는데 그 형태는 「전도」,「대류」,「복사」,「비화」로 구분된다.
1. 전도
열이 물체를 통하여 전달되는 현상으로 고온측에서 저온측으로 이동하는데 고체는 기체보다 잘 전도되고, 고온측과 저온측의 온도차, 길이 및 두께에 따라 달라지며, 주로 금속류가 높다. 공기는 열전도가 낮은 편인데 압력이 낮으면 열전도는 느리게 되고 진공 상태에서는 열의 전도가 이루어지지 않는다.
2. 대류
공기의 운동이나 유체의 흐름에 의해 열이 이동되는 현상으로 액체나 기체에 온도를 가하면 비중이 가벼워져 분자의 운동이 활발하여지고 팽창하면서 고온의 열 기류는 상승하게 된다. 화재시 연기가 위로 향하는 것이나 화로에 의해 방안의 공기가 더워지는 것이 대류에 의한 현상이다.
3. 복사
물체가 가열되면 열에너지를 전자파로 방출되는데 이 전자파에 의해 열이 이동하는 것으로 난로가에 열을 쬘때, 양지바른 곳에서 햇볕을 쬐면 따뜻한 것은 복사열을 받기 때문이며 화재현장에서 열의 이동에 가장 크게 작용하여 주위 건물을 연소시키는 것은 복사열이 주원인이다.
4. 비화(불똥)
불티나 불꽃이 기류를 타고 다른 가연물로 전달되어 화재가 일어나는 것을 말한다.
제6절 이상(異常)연소 현상
1. 역화(Back fire)
대부분 기체연료를 연소시킬 때 발생되는 이상연소 현상으로서 연료의 분출속도가 연소속도보다 느릴 때 불꽃이 연소기의 내부로 빨려 들어가 혼합관 속에서 연소하는 현상을 말한다.
역화의 원인으로는
가. 혼합 가스량이 너무 적을 때
나. 노즐의 부식으로 분출구멍이 커진 경우
다. 버너의 과열
라. 연소속도보다 혼합가스의 분출속도가 느릴 때
마. 압력이 과다할 때 등이 있다.
2. 선화(Lifting)
역화의 반대 현상으로 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 빠를 때 불꽃이 버너의 노즐에서 떨어져서 연소하는 현상으로 완전한 연소가 이루어지지 않는다.
3. 블로우 오프(blow-off)현상
선화 상태에서 연료가스의 분출속도가 증가하거나 주위 공기의 유동이 심하면 화염이 노즐에 정착하지 못하고 떨어져 화염이 꺼지는 현상을 말한다.
4. 불완전연소
연소시 가스와 공기의 혼합이 불충분하거나 연소온도가 낮을 경우 등 여러가지 요인으로 노즐의 선단에 적황색 부분이 늘어나거나, 그을음이 발생하는 연소현상으로 그 원인은
가. 공기의 공급이 부족 할 때
나. 연소온도가 낮을 때
다. 연료 공급상태가 불안정할 때
등이 있다.
5. 연소 소음
연소에 수반되어 발생되는 소음을 말하며 발생원인은 연소속도나 분출속도가 대단히 클 때와, 연소장치의 설계가 잘못되어 연소시 진동이 발생하는 경우에 발생하며, 종류로는 연소음, 가스 분출음, 공기 흡입음, 폭발음, 공명음 등이 있다.
제7절 연소생성물의 종류와 유해성
건축재료, 가구, 의류 등 유기가연물은 일반적으로 화재열을 받으면 열분해한 다음 공기 중의 산소와 반응하여 연소하며 여러 가지 생성물을 발생시킨다. 이 열분해 연소과정은 실제로는 매우 복잡하게 진행된다.
고분자물질 등 유기물의 구성원소는 일반적으로 탄소, 수소를 중심으로 산소, 질소를 함유하는 경우가 있고, 거기에 유황, 인, 할로겐(염소, 불소, 취소 등)등을 포함하는 경우가 있다.
완전연소의 경우 생성물의 수는 적으며, 탄소는 탄산가스, 수소는 물, 산소는 탄산가스 및 물 등의 산화물, 질소는 질소가스, 유황은 아황산가스, 인은 오산화인으로, 또한 할로겐은 염화수소 등의 할로겐화수소로 된다. 그러나 불완전연소의 경우 상기 생성물 외에 다수의 산화물이나 분해생성물이 발생한다.
[표 8] 연소물질과 생성가스
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연소생성가스 |
연소물질 |
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일산화탄소 및 탄산가스 |
탄화수소류 등 |
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질소산화물 |
셀룰로이드, 폴리우레탄 등 |
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시안화수소 |
질소성분을 갖고 있는 모사, 비단, 피혁 등 |
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아크릴로레인 |
합성수지, 레이온 등 |
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아황산가스 |
나무, 종이 등 |
|
수소의 할로겐화물 |
나무, 치오콜 등 |
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(HF, HCl, HBr, 포스겐등) |
PVC, 방염수지, 불소수지류 등의 할로겐화물 |
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암모니아 |
멜라민, 나일론, 요소수지 등 |
|
알데히드류(RCHO) |
페놀수지, 나무, 나일론, 폴리에스테르수지등 |
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벤젠 |
폴리스티렌(스티로폴) 등 |
1. 일산화탄소(CO)
일산화탄소는 무색․무취․무미의 환원성이 강한 가스로서 상온에서 염소와 작용하여 유독성 가스인 포스겐(COCl2)을 생성하기도 하며 인체 내의 헤모글로빈과 결합하여 산소의 운반기능을 약화시켜 질식케 한다.
[표 9] 일산화탄소의 공기 중의 농도와 중독증상
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공기중의 농도 |
|
경과시간(분) |
중독증상 |
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% |
ppm |
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|
|
0.02 |
200 |
120 ～ 180 |
가벼운 두통 증상 |
|
0.04 |
400 |
60 ～ 120 |
통증․구토증세가 나타남 |
|
0.08 |
800 |
40 |
구토․현기증․경련이 일어나고 24시간이면 실신 |
|
0.16 |
1,600 |
20 |
두통․현기증․구토 등이 일어나고 2시간이면 사망 |
|
0.32 |
3,200 |
5 ～ 10 |
두통․현기증이 일어나고 30분이면 사망 |
|
0.64 |
6,400 |
1 ～ 2 |
두통 ․현기증이 심하게 일어나고 15～30분이면 사망 |
|
1.28 |
12,800 |
1 ～ 3 |
1～3분내 사망 |
2. 이산화탄소(CO2)
이산화탄소는 무색․무미의 기체로서 공기보다 무거우며 가스자체는 독성이 거의 없으나 다량이 존재할 때 사람의 호흡 속도를 증가시키고 혼합된 유해 가스의 흡입을 증가시켜 위험을 가중시킨다.
3. 황화수소(H2S)
황을 포함하고 있는 유기 화합물이 불완전 연소하면 발생하는데 계란 썩은 냄새가 나며 0.2%이상 농도에서 냄새 감각이 마비되고 0.4 ～ 0.7%에서 1시간 이상 노출되면 현기증, 장기혼란의 증상과 호흡기의 통증이 일어난다. 0.7%를 넘어서면 독성이 강해져서 신경계통에 영향을 미치고 호흡기가 무력해진다.
4. 아황산가스(SO2)
유황이 함유된 물질인 동물의 털, 고무 등이 연소하는 화재시에 발생되며 무색의 자극성 냄새를 가진 유독성 기체로 눈 및 호흡기 등에 점막을 상하게 하고 질식사 할 우려가 있다. 특히 유황을 저장 또는 취급하는 공장에서의 화재시 주의를 요한다.
5. 암모니아(NH3)
질소 함유물(나이론, 나무, 실크, 아크릴 프라스틱, 멜라닌수지)이 연소할 때 발생하는 연소생성물로서 유독성이 있으며 강한 자극성을 가진 무색의 기체이다.
냉동시설의 냉매로 많이 쓰이고 있으므로 냉동창고 화재시 누출가능성이 크므로 주의해야 한다.
6. 시안화수소(HCN)
질소성분을 가지고 잇는 합성수지, 동물의 털, 인조견 등의 섬유가 불완전 연소할 때 발생하는 맹독성 가스로 0.3%의 농도에서 즉시 사망할 수 있다.
7. 포스겐(COCl2)
열가소성 수지인 폴리염화비닐(PVC), 수지류 등이 연소할 때 발생되며 맹독성가스로 허용농도는 0.1ppm(㎎/㎥)이다.
일반적인 물질이 연소할 경우는 거의 생성되지 않지만 일산화탄소와 염소가 반응하여 생성하기도 한다.
8. 염화수소(HCl)
PVC와 같이 염소가 함유된 수지류가 탈 때 주로 생성되는데 독성의 허용농도는 5ppm(㎎/㎥)이며 향료, 염료, 의약, 농약 등의 제조에 이용되고 있고 부식성이 강하여 쇠를 녹슬게 한다.
9. 이산화질소(NO2)
질산셀룰로즈가 연소 또는 분해될 때 생성되며 독성이 매우 커서 200～700ppm정도의 농도에 잠시 노출되어도 인체에 치명적이다.
10. 불화수소(HF)
합성수지인 불소수지가 연소할 때 발생되는 연소생성물로서 무색의 자극성 기체이며 유독성이 강하다.
허용농도는 3ppm(㎎/㎥)이며 모래․유리를 부식시키는 성질이 있다.
제2장 폭 발
제1절 폭발개론
1. 폭발의 정의
폭발을 명확히 정의하는 것은 어려우나 「압력의 급격한 발생 또는 해방의 결과로서 굉음을 발생하며 파괴하기도 하고, 팽창하기도 하는 것」, 「화학변화에 동반해 일어나는 압력의 급격한 상승현상으로 파괴 작용을 수반하는 현상」등으로 설명할 수 있다.
2. 폭발반응의 원인
빛, 소리 및 충격 압력을 수반하는 순간적으로 완료되는 화학변화를 폭발 반응이라 하며 기체상태의 엔탈피(열량) 변화가 폭발반응과 압력상승의 원인으로 다음을 들 수 있다.
가. 발열화학반응시에 일어난다.
나. 강력한 에너지에 의한 급속가열로 예를들면 부탄가스통의 가열시 폭발하는 것과 같다.
다. 액체에서 기체상태로 변화를 증발, 고체에서 기체 상태로의 변화를 승화라 하는데 이처럼 응축상태에서 기상으로 변화(상변화)시 일어난다.
3. 폭발의 성립 조건
가. 밀폐된 공간이 존재하여야 된다.
나. 가연성 가스, 증기 또는 분진이 폭발범위내에 있어야 한다.
다. 점화원(Energy)이 있어야 한다.
간략하게 정리하면 연소의 3요소에 밀폐된 공간이 있으면 성립한다.
제2절 폭발형태
1. 물리적 폭발과 화학적 폭발
폭발이란 급격한 압력의 발생, 해방의 결과로 그 현상이 격렬하게 폭음을 동반한 이상 팽창 현상으로 크게는 물리적인 폭발과 화학적 폭발로 구분하며, 물리적 상태에 따라 응상폭발과 기상폭발로 구분한다
가. 물리적 폭발
진공용기의 파손에 의한 폭발현상, 과열액체의 급격한 비등에 의한 증기폭발, 고압용기에서 가스의 과압과 과충진 등에 의한 용기의 파열에 의한 급격한 압력개방 등이 물리적인 폭발이다.
미세한 금속선에 큰 용량의 전류가 흐름으로서 전선에 급격한 온도상승이 되어 전선이 용해되어 갑작스런 기체 팽창이 짧은 시간내에 발생되는 폭발현상도 물리적인 폭발이며 전선폭발이라고도 한다.
나. 화학적 폭발
1) 산화 폭발
산화폭발은 연소의 한 형태인데 연소가 비정상상태로 되어서 폭발이 일어나는 형태이고 연소폭발이라고도 하며 주로 가연성 가스, 증기, 분진, 미스트 등이 공기와의 혼합물, 산화성, 환원성 고체 및 액체혼합물 혹은 화합물의 반응에 의하여 발생된다.
산화 폭발사고는 대부분 가연성 가스가 공기 중에 누설되거나 인화성 액체 저장탱크에 공기가 혼합되어 폭발성 혼합가스를 형성함으로서 점화원에 의해 착화되어 폭발하는 현상이다.
공간부분이 큰 탱크장치, 배관 건물 내에 다량의 가연성 가스가 공간 전체에 채워져 있을 때 폭발하게 되지만 큰 파괴력이 발생되어 구조물이 파괴되며, 이 때 폭풍과 충격파에 의하여 멀리 있는 구조물까지도 피해를 입힌다.
예를들면 LPG-공기, LNG-공기 등이며 가연성 가스의 혼합가스 점화에 의한 폭발을 말한다.
2) 분해폭발
산화에틸렌(C2H4O), 아세틸렌(C2H2), 히드라진(N2H4) 같은 분해성 가스와 디아조화합물 같은 자기분해성 고체류는 분해하면서 폭발하며 이는 단독으로 가스가 분해하여 폭발하는 것이다.
아세틸렌 : C2H2 → 2C + H2 + 54.19[㎉]
아세틸렌은 분해성 가스의 대표적인 것으로 반응시 발열량이 크고, 산소와 반응하여 연소시 3,000℃의 고온이 얻어지는 물질로서 금속의 용단, 용접에 사용된다.
고압으로 압축된 아세틸렌 기체에 충격을 가하면 직접 분해반응을 일으키므로 고압으로 저장할 때는 불활성 다공물질을 용기내에 주입하고 여기에 아세톤액을 스며들게 하여 아세틸렌을 고압으로 용해 충진하는 방법을 사용한다.
용해 아세틸렌을 저장할 때는 용기내에 가스층간의 공간이 없도록하고 아세틸렌의 충진시 용기에 발열되는 경우에 냉각시키고, 충진후에도 온도가 안정될 때까지 냉각하여야 한다.
일반적으로 널리 사용되는 용해아세틸렌 용기는 고열이 국부적으로 발생되고, 다공물질이 변질 혹은 공간이 생성되는 이상이 발생될 때 분해증발이 일어나 국부적인 과열로 인한 용기가 폭발하는 경우가 있으므로 신중하게 취급해야 한다.
3) 중합폭발
중합해서 발생하는 반응열을 이용해서 폭발하는 것으로 초산비닐, 염화비닐 등의 원료인 모노머가 폭발적으로 중합되면 격렬하게 발열하여 압력이 급상승되고 용기가 파괴되는 폭발을 일으키는 경우가 자주 있다.
중합반응은 고분자 물질의 원료인 단량제(모노머)에 촉매를 넣어 일정온도, 압력하에서 반응시키면 분자량이 큰 고분자를 생성하는 반응을 말하며, 이 반응은 대부분 발열반응을 하므로 적절한 냉각설비를 반응장치에 설치하여 이상반응이 되는 것을 방지하여야 한다. 그러나 반응시 냉각에 실패하는 경우 반응온도가 급격히 상승하여 미반응 모노머의 팽창, 비등이 발생하여 이상고압으로 되는 경우 반응장치를 파괴시키는 경우가 있다.
중합이 용이한 물질은 촉매를 주입하지 않아도 공기중의 산화와 그외 산화성 물질, 알칼리성 물질이 촉매역할을 하여 반응을 일으킬수도 있으므로 반응중지제를 준비하여야 한다. 중합폭발을 하는 가스로는 시안화수소(HCN), 산화에틸렌(C2H4O) 등이 있다.
4) 촉매폭발
촉매에 의해서 폭발하는 것으로 수소(H2)+산소(O2), 수소(H2)+염소(Cl2)에 빛이 쪼일 때 등에 일어난다.
2. 응상폭발과 기상폭발
폭발물질의 물리적 상태에 따라서 기상폭발과 응상폭발로 구분하며, 일반적으로 응상이란 고상 및 액상의 것을 말하고, 응상은 기상에 비하여 밀도가 102～103배이므로 그 폭발의 양상이 다르다.
수소, 일산화탄소, 메탄, 프로판, 아세틸렌 등의 가연성 가스와 조연성 가스와의 혼합기체에서 발생하는 가스폭발이 기상폭발에 속하고 응융 금속이나 금속조각 같은 고온물질이 물 속에 투입되었을때 고온의 열이 저온의 물에 짧은 시간에 전달되면 일시적으로 물은 과열상태로 되고 급격하게 비등하여 폭발현상이 나타나게 되는 것을 응상폭발이라하며 수증기폭발이 대표적인 것이다.
기상폭발은 가스폭발(혼합가스폭발), 가스의 분해폭발, 분무폭발 및 분진폭발로 응상폭발은 혼합위험성 물질에 의한 폭발, 폭발성 화합물의 폭발, 증기폭발로 분류할수 있다.
가. 혼합가스 폭발
가연성 가스와 조연성 가스가 일정비율로 혼합된 가연성 혼합기는 발화원에 의해 착화되면 가스폭발을 일으킨다. 이것을 폭발성 혼합기(폭발성 혼합가스)라 부른다. 가연성 가스에는 수소, 천연가스, 아세틸렌 가스, LPG 외에 휘발유, 벤젠, 툴루엔, 알콜, 에테르 등의 가연성 액체로부터 나오는 증기도 포함된다.
조연성 가스(지연성 가스)에는 공기, 산소 외에 아산화질소, 산화질소, 이산화질소, 염소, 불소 등도 포함된다.
보통 밀폐용기에서의 폭발 생성가스의 압력은 초기압력의 7～10배에 달한다.
1) 질소 산화물의 분해반응
가) 아산화 질소(N2O)
N2O ─→ N2 +
O2 -△H = 19.5㎉/mol
나) 산화질소
NO ─→
N2 +
O2 -△H = 21.6㎉/mol
다) NO2 ─→
N2 + O2 -△H = 8㎉/mol
2) 한계압력은 N2O;2.5㎏/㎠, NO;15㎏/㎠이며 이 이상의 압력에서 분해 폭발되었을 때 폭발압력은 초기압력의 10배이상 된다.
3) 압력이 낮을 때는 큰 발화에너지가 필요하나, 높은 압력하에서는 조그만 에너지에도 분해폭발을 한다.
나. 가스의 분해폭발
기체 분자가 분해할 때 발열하는 가스는 단일성분의 가스라고 해도 발화원에 의해 착화되면 혼합가스와 같이 가스 폭발을 일으킨다. 이것을 가스의 분해폭발이라고 하며 산소가 없어도 폭발한다. 분해 폭발성 가스는 아세틸렌, 산화에틸렌, 에틸렌, 프로파디엔, 메일아세틸렌, 모노비닐아세틸렌, 이산화염소, 히드라진 등이 있다.
아세틸렌 충전공장과 같은 곳에서는 때때로 고압 아세틸렌이 분해 폭발에 의한 사고가 일어난다. 또한, 폴리에틸렌 공장에서 1000기압 이상의 고압 에틸렌이 분해 폭발을 일으켜 누설되고, 공기 중에서 다시 혼합가스 폭발을 일으킨 경우도 있었다.
1) 아세틸렌
가) 아세틸렌의 분해반응
C2H2 ──→ 2C + H2 -△H = 54㎉/mol
나) 발열량이 커서 열손실이 없으면 화염온도는 3,100℃가 되며 밀폐용기 내에서 분해폭발이 발생되면 초기압력의 9～10배가된다.
다) 배관중에서 아세틸렌의 분해반응이 발생되면 화염은 가속되어 폭굉 이 되기 쉽다. 폭굉의 경우 초기압력의 20～50배가되고 파괴력도 크다.
라) 분해폭발은 화염, 스파크, 가열 등의 열원에 의하여 발생되는 경우]도 많지만 밸브의 개폐에 의한 단열압축열의 발화에 의한 경우도 있다.
마) 아세틸렌은 구리, 은 등의 금속과 반응하여 폭발성 아세틸리드를 생 성하며 이것은 조그만 충격에도 폭발하여 아세틸렌을 발화시키므로 아세틸렌을 취급하는 장치에는 구리나 구리함유량이 많은 금속을 사용해서는 안된다.
바) 아세틸렌이 분해폭발을 하기 위해서 낮은 압력에서는 큰 에너지가 필요하지만 압력이 높게 되면 적은 에너지로도 발화된다. 따라서 아세틸렌이 25㎏/㎠이 넘는 압력에 있을 때는 질소 등의 불활성 가스 등을 첨가하여 분해폭발을 방지해야 한다.
사) 아세틸렌의 공기중의 폭발한계는 2.5～100vol%이다.
2) 산화 에틸렌(에틸렌 옥사이드)
가) 산화에틸렌의 분해반응
C2H4O ─→ CH4 + CO -△H = 32.11㎉/mole ── ①)
2C2H4O ─→ C2H4 + 2CO + 2H -△H = 7.89㎉/mole ── ②
나) 산화에틸렌의 공기 중의 폭발한계는 3.2～100vol%이다.
다) 산화에틸렌의 한계압력(이 압력이하에서는 화염전파가 일어나지 않음) 300㎎ 정도로 낮으므로 안전상의 주의가 필요하다.
라) 상온 상압하에서 분해폭발은 69%가 식(1)에 의해, 31%가 식(2)에 의해 분해하므로, 초기압력 증가는 전체 발열량을 증가시키고 폭발시 압력도 높아진다.
마) 산화에틸렌의 분해폭발시 폭굉이 발생한 사례는 없다.
3) 에틸렌
가) 에틸렌의 분해폭발은 아세틸렌과 비교하여 큰 발화에너지가 필요하며 저압에서의 사고예가 없으나, 고압법을 사용한 폴리에틸렌의 제조공정에서 2,000㎏/㎠이상의 압력에서 분해폭발사고가 가끔 발생한다.
나) 에틸렌의 분해폭발반응
C2H4 ─→ 1.02C + 0.95CH4 + 0.02C2H2 + 0.17H2 -△H = 29㎉/mol
이때 발생압력은 초기압력의 6.3배이다.
다) 에틸렌은 100㎏/㎠이하의 압력에서는 큰 발화에너지가 없으면 분해 폭발을 일으키지 않지만, 고온 고압이 되면 분해폭발이 된다.
다. 분무 폭발
공기중에 분출된 가연성 액체가 미세한 액적이 되어 무상으로 되고 공기중에 부유하고 있을 때 착화에너지가 주어지면 발생하는데 분출한 가연성 액체의 온도가 인화점 이하로 존재하여도 무상으로 분출된 경우에는 폭발하는 경우가 있다. 고압의 유압설비로부터 기계유의 분출 후에 공기중에서 미세한 액적이 되어 일어난다.
라. 분진 폭발
1) 분진폭발의 의의
가연성고체의 미분 또는 가연성 액체의 미스트(mist)가 어떤 농도이상 공기와 같은 조연성 가스 등에 분산되어 있을 때 발화원에 의하여 착화됨으로서 일어나는 현상을 말하며, 금속, 프라스틱, 농산물, 석탄, 유황, 섬유질 등의 가연성 고체가 미세한 분말상태로 공기중에 부유하여 폭발하한계 농도이상으로 유지될 때 착화원이 존재하면 가연성 혼합기와 동일한 폭발현상을 나타낸다.
탄광의 갱도, 유황 분쇄기, 합금 분쇄 공장 등에서 가끔 분진 폭발이 일어난다.
2) 분진의 발화폭발 조건
가) 가연성 : 금속, 프라스틱, 밀가루, 설탕, 전분, 석탄 등
나) 미분상태 : 200mesh(76㎛) 이하
다) 지연성 가스(공기)중에서의 교반과 유동
라) 점화원의 존재
3) 가연성 분진의 착화폭발 기구
가) 입자표면에 열에너지가 주어져서 표면온도가 상승한다.
나) 입자표면의 분자가 열분해 또는 건류작용을 일으켜서 기체상태로 입자 주위에 방출한다.
다) 이 기체가 공기와 혼합하여 폭발성 혼합기가 생성된 후 발화되어 화염이 발생된다
라) 이 화염에 의해 생성된 열은 다시 다른 분말의 분해를 촉진시켜 공기와 혼합하여 발화 전파한다.
4) 분진폭발의 특성
가) 연소속도나 폭발압력은 가스폭발에 비교하여 작으나 연소시간이 길고, 발생에너지가 크기 때문에 파괴력과 타는 정도가 크다. 즉, 발생에너지는 가스폭발의 수백배이고 온도는 2000～3000℃까지 올라간다. 그 이유는 단위 체적당의 탄화수소의 양이 많기 때문이다.
나) 폭발의 입자가 연소되면서 비산하므로 이것에 접촉되는 가연물은 국부적으로 심한 탄화를 일으키며 특히 인체에 닿으면 심한 화상을 입는다.
다) 최초의 부분적인 폭발에 의해 폭풍이 주위의 분진을 날리게하여 2차, 3차의 폭발로 파급됨에 따라 피해가 크게 된다.
라) 가스에 비하여 불완전한 연소를 일으키기 쉬우므로 탄소가 타서 없어지지 않고 연소후의 가스상에 일산화탄소가 다량으로 존재하는 경우가 있어 가스에 의한 중독의 위험성이 있다.
5) 폭발성분진
가) 탄소제품 : 석탄, 목탄, 코크스, 활성탄
나) 비료 : 생선가루, 혈분 등
다) 식료품 : 전분, 설탕, 밀가루, 분유, 곡분, 건조효모 등
라) 금속류 : Al, Mg, Zn, Fe, Ni, Si, Ti, V, Zr(지르코늄)
마) 목질류 : 목분, 콜크분, 리그닌분, 종이가루 등
바) 합성 약품류 : 염료중간체, 각종 프라스틱, 합성세제, 고무류 등
사) 농산가공품류 : 후추가루, 제충분, 담배가루 등
6) 분진의 폭발성에 영향을 미치는 인자
가) 분진의 화학적 성질과 조성
(1) 분진의 발열량이 클수록 폭발성이 크며 휘발성분의 함유량이 많을 수록 폭발하기 쉽다.
(2) 탄진에서는 휘발분이 11%이상이면 폭발하기 쉽고, 폭발의 전파가 용이하여 폭발성 탄진이라고 한다.
나) 입도와 입도분포
(1) 분진의 표면적이 입자체적에 비하여 커지면 열의 발생속도가 방열 속도보다 커져서 폭발이 용이해진다.
(2) 평균 입자경이 작고 밀도가 작을수록 비표면적은 크게되고 표면에너지도 크게 되어 폭발이 용이해진다.
(3) 입도분포 차이에 의한 폭발특성 변화에 대해서는 상세히 알 수 없으나 작은 입경의 입자를 함유하는 분진의 폭발성이 높다고 간주한다.
다) 입자의 형성과 표면의 상태
(1) 평균입경이 동일한 분진인 경우, 분진의 형상에 따라 폭발성이 달라진다. 즉 구상, 침상, 평편상 입자순으로 폭발성이 증가한다.
(2) 입자표면이 공기(산소)에 대하여 활성이 있는 경우 폭로시간이 길어질수록 폭발성이 낮아진다. 따라서 분해공정에서 발생되는 분진은 활성이 높고 위험성도 크다.
라) 수분
분진속에 존재하는 수분은 분진의 부유성을 억제하게 하고 대전성을 감소시켜 폭발성을 둔감하게 한다.
반면에 마그네슘, 알루미늄 등은 물과 반응하여 수소를 발생하고 그로 인해 위험성이 더 높아진다.
7) 발화에 대한 영향
가) 입도
(1) 분진이 미립자일수록 분산이 더 잘 되고 부유시간이 길며 발화가 용이하다.
(2) 분진이 용매에 젖어 있거나, 용매-공기에 존재하는 분진을 dry분진 보다 최소점화에너지가 훨씬 낮다
나) 정전기
(1) 분진폭발은 대부분 정전기에 의해서 발생한다. 따라서 분진은 이 장치를 통과할 때 정전기가 발생하므로 분진취급장치는 모두 접지를 해야 한다.
(2) 경우에 따라서 접지된 장치와 접지선 사이에서 스파크가 발생되는 수도 있다.
예) PVC파이프와 접지된 금속 고리 사이에 스파크가 발생되는 경우도 있다. (PVC는 전기적으로 절연체이기 때문에 대전된다) 따라서 절연체로 된 파이프를 이용해서 가연성 분진을 이동해서는 안된다.
(3) 습도가 낮은 경우 비전도체의 전도도가 감소하여 정전기 발생을 촉진시킨다. 따라서 겨울철에 분진화재나 폭발이 더 발생된다.
다) 온도
(1) 분진발화온도 : 200mesh이하의 분진을 이용하여 측정한 최소발화 온도
(2) 분체의 크기는 발화온도에 큰 영향을 주지 않는다.
(3) 분진층의 두께가 두꺼울수록 발화온도는 낮아진다.
(4) 전구에 분진이 쌓이면 과열되어 발화가 가능하고 꽉 조이지 않은 전구와 소켓 사이에 방전이 가능하므로 주의해야 된다.
라) 불활성 기체
(1) 전기스파크를 이용하여 가연성 분진을 연소할 때 CO2를 사용하여 O2의 함량을 11vol%이하이거나 N2를 사용하여 O2의 함량을 8vol% 이하로 낮추면 분진의 농도와 관계없이 화염전파를 방지할 수 있다.
(2) 단, 금속분말은 O2농도가 더 낮아야 한다.
(3) 분진에 가연성 기체나 증기가 존재할 경우 더 많은 불활성 기체를 주입시켜야 한다.
8) 폭발 압력
가) 분진의 최대폭발압력은 양론적인 농도보다 훨씬 더 큰 농도에서 일어난다.(가스폭발의 경우와 다름)
나) 최대폭발압력 상승속도는 입자의 크기가 작을수록 증가하는데 이는 입자의 크기가 작을수록 확산되기 쉽고 발화되기 쉽기 때문이다.
9) 폭발 방지
가) 2차 폭발을 방지하기 위하여 분체를 다루는 장치는 가능한한 옥외에 설치하여야 한다. 단, 옥내에 설치된 경우는 폭발생성물이 옥외로 배출되도록 해야 한다.
나) 분체를 취급하는 주걱은 접지된 금속주걱을 사용하여 정전기 발생으로 인한 방전을 예방하여야 한다.
다) 진공청소기를 사용할 때는 모든 금속부분이 접지된 방폭용을 사용해야 한다.
라) 배관속에 분진이 누적되는 것을 방지하기 위하여 이동속도를 20m/sec 이상 유지해야 한다.
마) 불필요한 금속조각이 분쇄기에 들어가지 않도록 해야 한다.
바) 스프레이를 이용하여 분체도량을 할 때 스프레이건으로부터의 분체의 배출속도는 최대로 하되 분체의 농도가 최소폭발농도 이하가 되도록 공기량을 조절해야 된다.
사) 이 때 작업장의 모든 금속표는 1㏁이하의 저항을 지닌 바닥에 접지하고 폭발배출용 닥트는 가능한한 짧게 옥외로 배출시켜야 한다.
마. 혼합위험성 물질에 의한 폭발
산화성 물질과 환원성 물질의 혼합물에는 혼합 직후에 발화 폭발하는 것, 또는 혼합 후에 혼합물에 충격을 가하거나 열을 가하면 폭발을 일으키는 것 등이 있다.
바. 폭발성 화합물의 폭발
산업용 화약, 무기용 화약 등의 화학 폭약의 제조와 가공공정에서 또는, 그 사용중에 폭발사고가 일어나는 것을 말한다. 이밖에 반응중에 생기는 민감한 부생물이 반응조내에 축적되어 폭발을 일으키는 경우도 해당된다. 예를 들면 산화 반응조에 과산화물이 축적되어 폭발 사고를 일으킨 것도 있다.
사. 증기 폭발
1) 증기폭발의 의의
액체에 급속한 기화현상이 발생되어 체적 팽창에 의한 고압이 생성되어 폭풍을 일으키는 현상으로, 물, 유기액체 또는 액화가스 등의 액체들이 과열상태가 될 때 순간적으로 증기화 되어 폭발현상을 나타내는 것을 말한다. 지상에 있는 물웅덩이에 작열된 용융카바이트나 용융철을 떨어뜨릴 경우 또는 탱크속의 비등점의 낮은 액체가 중합열 또는 외부로부터 가해지는 화재의 열 때문에 온도가 상승되어 증기압을 견디지 못하고 용기가 파열될 때 남아있던 가열액체는 순간적으로 심한 증기폭발을 일으킨다.
2) 증기폭발의 분류
가) 보일러 폭발 (고압포화액의 급속액화)
(1) 보일러와 같이 고압의 포화수를 저장하고 있는 용기가 파손 등의 원인으로 동체의 일부분이 열리면 용기내압이 급속히 하락되어 일부 액체가 급속히 기화하면서 증기압이 급상승하여 용기가 파괴된다.
(2) 내용물이 가연성 물질인 경우 비등 기화로 액체입자를 포함하는 증기가 대량으로 대기에 방출됨으로써 화염원으로부터 착화되어 화구를 형성하게 된다.
(3) 100℃이상 과열된 압력하의 물을 폭발수(explosive water)이라 한다.
나) 용융염의 수증기 폭발 (액체의 급속 가열)
(1) 물 또는 물을 함유한 액체에 고온 용융금속, 용융염 등이 대량으로 유입되는 경우 이 물질로 인해 밀폐된 상태의 물이 급격히 증발되고 밀폐로 인한 고압이 발생되어 폭발하는 현상이다.
(2) 수증기 폭발의 발생은 고온 용융염의 투입속도가 빠를수록 용기의 단면적이 작을수록 잘 일어난다.
(3) 수증기 폭발의 발생기구는 최초 고온 용융염이 물에 접촉하여 열전 달이 일어날 때 온도차가 커서 용융염의 표면에 막비 등이 일어나 지만 이 때는 폭발이 발생되지 않는다. 그러나 용융염의 표면이 냉각되어 균열이 발생되고 균열된 곳에 물이 들어가면 용융염이 미세화되어 비등핵이 형성되어 격렬한 증기가 발생되면서 폭발하게 된다. 이와 같은 현상을 핵폭발이라고도 한다.
다) 극저온 액화가스의 증기폭발(극저온 액화가스의 수면유출)
1) LNG 등의 저온액화가스가 상온의 물위에 유출될 때 급격하게 기화되면서 증기폭발이 발생된다
2) 이 때 뜨거운 유체로 작용하는 것은 물(15℃)이며 LNG는 -162℃ 에서 액화된 가스이므로 차가운 액체로 작용한다.
3) 이 때의 에너지원은 물의 현열이다.
라) 수증기 폭발의 예방대책
증기폭발이 일어나는 설비는 용광로, 용융로, 평로, 전기로, 회수로 등이 가장 많고 도가니, 주형, 가마 등이다. 또한 폐기물 수집장소나 배수구 수초 등에서도 발생하고 있다 수증기폭발의 예방대책의 기본은 물과 고온 물과의 접촉기회를 주지 않는 것이다.
(1) 로내로의 물의 침입방지
(가) 로내에 투입하는 재료에 수분이 함유된 경우
(나) 전극의 냉각수가 로내로 들어간 경우
(다) 로벽이 완전히 건조되지 않는 상태에서 용융작업을 하는 경우
(라) 화재 소화 작업중 주수가 로내에 들어가는 경우
(2) 작업바닥의 건조
(가) 지하수의 누수
(나) 빗물 등
(3) 고운 폐기물의 처리는 건조한 장소에서 한다.
(가) 고온 금속조각을 젖은 장소에 폐기하는 것을 방지
(나) 고온 물을 하수구나 수조에 투입하는 것을 방지
(다) 고온 물을 건조한 장소에 버리고 물을 뿌려 냉각하는 것을 방지
(4) 주수분쇄설비의 안전설계
(가) 고운 물에 주수(물을 뿌림)하여 급냉에 의한 분쇄를 하는 경우 수증기 폭발의 위험성이 있다.
(나) 물속에 고온 물을 투입하는 것은 안되고, 고온 물이 밖으로 흘러 나오지 않도록 물을 뿌려주는 설비가 필요하다.
(다) 배수가 잘 되도록 하고 물이 고여 있도록 해서는 안된다.
제3절 폭발 한계
1. 폭발한계의 정의
가연성 가스와 공기(또는 산소)의 혼합물에서 가연성 가스의 농도가 낮을 때나 높을 때 화염의 전파가 일어나지 않는 농도가 있다. 농도가 낮을 경우를 폭발하한계, 높을 경우를 폭발 상한계라 하고 그 사이를 폭발 범위라고 한다. 그리고 연소한계, 가연한계라고도 한다.
2. 폭발하한계(LEL)
발화원이 있을 때 불꽃이 전파되는 증기 혹은 가스의 최소 농도로서 공기나 산소중의 농도로 나타낸다. 단위는 부피%이다.
3. 폭발상한계(UEL)
발화원과 접촉시 그 이상의 농도에서는 화염이 전파되지 않는 기체나 증기의 공기중의 최대농도를 나타낸다. 단위는 부피%이다.
4. 폭발한계에 대한 영향을 주는 요소
가. 온도의 영향
1) 일반적으로 폭발범위는 온도상승에 의하여 넓어지게 되며 폭발한계의 온도의존은 비교적 규칙적이다.
2) 공기중에서 연소하한계 L은 온도가 100℃ 증가함에 따라 약8% 감소 한다.
Lt = L25℃ - (0.8L25℃ × 10-3)(t-25)
3) 공기중에서 연소상한계 U는 온도가 100℃증가함에 따라 약 8% 증가한다.
Ut = U25℃ + (0.8U25℃ × 10-3)(t-25)
나. 압력의 영향
압력이 상승되면 연소하한계 L은 약간 낮아지나 연소상한계 U는 크게 증가한다.
다. 산소의 영향
1) 산소중에서의 연소하한계 L은 공기중에서의 L과 같다.
(공기중의 산소는 L에서 연소에 필요한 이상의 양이 존재한다.)
2) 연소상한계 U는 산소량이 증가할수록 크게 증가한다.
라. 기타산화제
Cl2등의 산화제 분위기 중에서의 폭발범위는 공기중에서보다 넓고 O2분위기와 비슷하다.(가연성물질이 Cl2에 의해 산화되기 때문이다)
제4절 폭연과 폭굉
압력파 또는 충격파의 전파속도가 음속보다 느리게 이동하는 경우를 폭연(Deflagration)이라고 하며, 음속보다 빠르게 이동하는 경우를 폭굉(Detonation)이라 한다.
[표10] 폭연과 폭굉의 차이
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구 분 |
폭연(Deflagration) |
폭굉(Detonation) |
|
충격파 전파속도 |
음속보다 느리게 이동한다 (기체의 조성이나 농도에 따라 다르지만 일반적으로 0.1～10㎧범위) |
음속보다 빠르게 이동한다 (1,000～3,500㎧ 정도로 빠르며, 이때의 압력은 약 1,000㎏f/㎠) |
|
특 징 |
- 폭굉으로 전이될 수 있다. - 충격파의 압력은 수기압(atm) 정도이다. - 반응 또는 화염면의 전파가 분 자량이나 난류확산에 영향을 받는다 - 에너지 방출속도가 물질전달속 도에 영향을 받는다.
|
- 압력상승이 폭연의 경우보다 10배, 또는 그 이상이다. - 온도의 상승은 열에 의한 전파 보다 충격파의 압력에 기인한 다. - 심각한 초기압력이나 충격파를 형성하기 위해서는 아주 짧은 시간내에 에너지가 방출되어야 한다. - 파면에서 온도, 압력, 밀도가 불연속적으로 나타난다. |
제3장 소 화
연소가 계속되려면 연소에 필요한 가연성 물질과 산소의 공급 및 열원이 필요하며 이 중에 전부 또는 한가지만이라도 제거하면 연소는 단절되게 된다. 즉, 3요소 중 어느 하나를 제거하면 소화라는 목적을 달성하게 된다.
1. 냉각소화
연소하는 데에는 연소의 화학반응에 의하여 유치된 열이 미반응의 기체 및 이들을 발생하는 고체와 액체에 공급되지 않으면 안된다. 이 도중에서 열을 뺐는 조작-냉각이 행해지면 연소는 중단되고 소화가 된다.
가) 고체에 의한 냉각
가스버너(gas burner)의 화염에 철망을 대면 망으로부터 상부의 불꽃은 차츰차츰 꺼진다. 이것은 철망에 의해서 열을 빼앗기기 때문이다. 즉, 냉각소화가 이루어진 셈이다.
이와 같이 연소계층에 열을 흡수하는 물체를 넣어주면 소화가 행해지는 경우가 있다.
가정에서 튀김기름에 불이 붙을 때 채소류를 넣으면 좋다는 것은 채소류의 열용량으로 기름의 온도강하를 초래하여 소화하려고 하는 것으로 분류상 이에 속한다.
나) 분무(噴霧)에 의한 냉각
불꽃 속에 분무상의 미세한 물방울을 다수 주입하면 그것이 증발할 때에 증발의 잠열을 탈취해서 화염을 냉각시켜 연소를 저지한다. 소위 분무소화는 이 원리를 적용한 것으로 불꽃속에 적당량의 물을 주입하는 것은 희석효과도 포함되므로 그 어느 것이 주역활을 하는 것인지는 아직 정확치 않으며, 이때 가연성 기체가 고체의 분해로 발생하고 있을 때에는 물방울은 그 고체 자신도 적시어 연소를 곤란하게 한다. 그러나 소화의 기구가 어떻든간에 이 방법은 주수소화법이 대량의 물을 필요로 하는데 비하여 다음의 장점을 가진다.
① 극히 소량의 물을 유효하게 사용할 수 있다.
② 화원에 접근할 수 있다.
③ 물과 섞이지 않는 액체의 연소에 이용할 수 있다.
다) 보통주수에 의한 냉각
목재 등과 같이 분해연소를 하는 물질에 물을 주입하면 목재 자체의 냉각으로 소화된다. 다시 말하면 주수에 의한 냉각에 동반되는 열분해의 저지와 분해 생성물인 가연성 가스의 결핍에 기인하여 연소가 중단되는 현상이다.
2. 질식소화
연소에는 산소를 필요로 하며 이 산소는 공기로부터 받아들이는 때가 많으므로 밖으로부터 공급되는 산소를 차단하면 당연히 연소는 계속되지 못한다. 즉, 소화될 것이 기대되는 것이다.
가) 무거운 불연성 기체로 연소물을 덮는 방법
무거운 불연성 기체 또는 증기를 연소물 위에다 뿌리면 이 기체가 연소물 위를 덮어 쌓임으로써 밖으로부터의 산소의 공급을 막는 방법이다. 여기에 사용되는 기체는 공기보다 무거우며 불연성이면 좋으나 상온에서 이러한 성질을 지니는 기체인 물질은 적으므로 비점이 낮고 용이하게 증기로 되는 액체가 많이 쏘인다. 현재 사용되고 있는 것에는 탄산가스(CO2) 등의 기체와 클로로브롬메탄(CH2ClBr)등의 액체 증기가 있다.
나) 불연성의 거품으로 연소물을 덮는 방법
연소하고 있는 물질을 공기, 탄산가스, 질소가스 들을 함유한 거품으로 덮을 때 앞에서와 마찬가지의 효과를 거둘 수 있으므로 이 방법도 현재 많이 쓰인다.
다) 고체로 연소물을 덮는 방법
연소물을 고체로 덮는 것도 소화법으로서 성립된다. 포(布) 이불 ․가마니 등으로 덮으면 불은 꺼지고, 모래․흙 같은 것을 뿌려도 소화되는 것은 우리가 잘 아는 사실이다. 이 소화법은 돌발적인 경우에 쓰이는 소화법에 속하는 때가 많으나 불연성가스 또는 수중에서도 더욱 연소가 계속되는 경우(금속마그네슘의 연소 등)에는 마른 모래로 질식소화를 하는 것이 거의 유일한 방법이 된다.
일반적으로 이러한 방법은 덮는 범위가 좁고 또한 덮는 기술이 어렵다. 더욱이 불을 두들겨 끄는 방법, 뚜껑을 덮는 방법 등도 분류상 여기에 해당된다고 볼 수 있을 것이다.
3. 제거소화
제거소화는 가연성물질을 연소부분으로부터 제거함으로써 불의 확산을 저지하는 소화방법으로 이는 협의적인 방법과 광의적인 방법이 있다.
협의적인 제거 소화방법은 가스화재시 주밸브를 차단시켜 가스공급중단으로 연소를 멈추게 하거나 가용성 가연액체(알코올, 아세톤 등) 화재시 물을 다량 살포함으로써 연소를 그치게 하는 등이 있고, 광의적인 제거 소화방법은 연소중인 가연물체를 안전한 곳으로 이동시키거나 연소 직전의 인근건물 등을 파괴한 후 방어선을 구하여 화재확대 방지나 인명구출 수단으로 필요시에 활용하게 된다.
4. 희석소화
가연성 기체가 연소하려면 그것이 산소와 연소범위에 있는 혼합기를 만들지 않으면 안된다. 따라서 산소나 가연성물질의 어느 것의 농도가 희박해지면 연소는 계속하지 못한다.
이와 같이 기체 ․고체 ․액체에서 나오는 분해가스, 증기의 농도를 작게 하여 연소를 중지시키는 소화법을 희석 소화법이라 부른다.
가) 액체농도의 희석
액체를 불연성의 다른 액체로 희박하게 하면 이들 가연성 액체의 농도가 저하한다. 따라서 동 농도에서는 액면상의 증기량은 감소하고 드디어 거기에 존재하는 공기중의 산소와의 혼합기 농도가 연소범위 이하로 되어 더 이상 연소가 계속하지 못할 극한이 생겨 소화된다.
가령 알코올 ․아세톤 등과 같은 수용성의 액체가 타고 있을 때 여기에 물을 부으면 불꽃이 꺼진다.
나) 강풍으로 소화하는 방법
일반적으로 연소물에 강렬한 바람이 닿으면 풍속이 어떤 값 이상일 때에 불꽃이 불려 꺼진다. 이것은 연소에 관여하는 가연성 중기가 바람에 날려서 농도가 희박해지기 때문이다. 실제로 이 방법을 이용할 단계에 이르면 여러 가지 곤란이 수반되고 현재 이것이 이용되고 있는 유일한 장소는 유전지역이며, 유전의 화재를 폭약의 폭풍으로 소화하는 것이다. (이 방법은 탄의 연소와 같이 불꽃을 내지 않고 표면에서만 연소하는 물질에는 적용 할 수 없다.)
다) 불연성 기체에 의한 희석
불연성 기체를 화염 중에 넣으면 산소 농도가 감소하는 까닭으로 소화하게 된다. 이것을 이용하여 탄산가스 등을 용이하게 방출하는 고체 등을 투입하여 소화하는 방법이 행하여지고 있다. 탄산가스 자동소화장치, 분말소화기에 의한 소화 등이 그 예이다. 즉, 전자에 있어서는 화재인 경우 실내 전체에 CO2를 충만시켜 소화하고, 후자에 있어서는 중조의 분말을 화염중에 투입함으로써 탄산가스를 발생시켜 희석소화한다.
자연과학에서 가장 많이 사용되는 용어 중의 하나는 아마도 에너지일 것이다. 에너지는 '일을 할 수 있는 능력'으로 정의한다. 우리가 자주 사용하는 에너지에 관한 얘기에는 "우주의 에너지는 보존된다."라는 말도 있고, 에너지 개발이나 고갈 그리고 절약이라는 말도 있다. 얼핏 생각하면 서로 모순적인 이런 표현은 에너지에 대한 이해가 충분하지 못하기 때문에 나온 말이다. 에너지는 자연현상이 발생하는 근본 원인 중 하나로, 이처럼 다양한 표현에서 사용하는 에너지를 제대로 이해하는 것이 자연현상을 설명하고, 이용하는 데 큰 도움이 된다.
자연환경에서 일어나는 물리∙화학적 변화를 위해서는 열과 일이 필요하다
인류는 자연계에서 일어나는 변화를 이용하여 열(heat)을 얻고 일(work)을 하면서 삶을 영위한다. 앞에서 말한 변화는 물질을 구성하는 분자는 변하지 않고 단지 물질의 모양이나 상태가 변하는 '물리적 변화'와 분자가 다른 것으로 변하는 '화학적 변화'를 모두 포함한다. 천연가스나 석유가 타는 것은 화학적 변화이고, 이때 나오는 열로 난방을 하고 자동차를 움직이게 하는 일 등을 할 수 있다. 한편 높은 위치에 있는 물이 떨어지는 물리적 변화로 인해 수력 발전이 가능하고, 여기서 생산된 전기로 열을 얻거나 일을 하기도 한다. 섭취된 음식물의 생체 내 화학적 변화를 통해 우리는 열을 얻고, 몸을 움직이며, 일을 하기도 한다.
물이 떨어지는 물리적인 변화를 이용하여, 전기 에너지를 발생하는 수력발전소
열과 일의 정의는 사뭇 다르다
열은 물체가 흡수하면 물체 온도가 올라가게 하는 것을 말한다. 이때 흡수된 열의 양을 열량이라 하는데, 열량의 단위로 칼로리(cal)를 사용한다. 1cal는 물 1g의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량으로 정의한다. 일반적으로 어떤 주어진 물체 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량을 열용량(heat capacity)이라 하며, 물체가 흡수한 열량은 열용량(heat capacity)과 변화된 온도(℃)의 곱으로 쉽게 구할 수 있다. 0℃의 얼음이 0℃의 물이 될 때처럼, 열을 흡수하여도 온도 변화가 없을 수 있다. 이때에 열은 물체에 숨어 있다고 생각하고, 숨은 열(latent heat)이라 부른다.
일은 다음과 같이 정의한다. 어떤 것에 힘(F)이 작용하여 거리 s만큼 이동하였을 때 일을 하였다고 하며, 일의 양은 F∙s로 주어진다. 기계적인 일의 경우, 힘은 질량과 가속도의 곱이므로 일의 단위는 kg∙m2/s2이고, 1kg∙m2/s2의 일을 1 줄(J)이라 한다.
줄은 실험을 통해, 열과 일이 같음을 보였다
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줄(James Prescott Joule, 1818-1889)은 1843년에 열과 일은 상호 변환할 수 있고, 따라서 열과 일이 대등하다는 것을 실험적으로 보였다. 줄은 그림과 같은 장치를 만들고, 용기로 열이 들어가지 못하도록 단열하고 나서, 끈에 매단 물체가 중력에 의해 내려갈 때 물속에 있는 프로펠러가 회전하여 물이 데워지는 것을 관찰하였다. 물론 물은 일을 가하지 않고 열만 가해도 데워진다. 정밀한 실험 결과 열량 1cal는 일 4.184J에 해당함을 보였다. 이 실험 결과로 이제는 열과 일의 단위를 모두 줄(J)로 나타내기도 한다. 앞에서 보았듯이, 물의 상태를 나타내는 물의 온도를 높이기 위해서는 외부에서 열을 가하거나, 일을 해주어야 한다. 열과 일을 둘 다 해줄 때는 열 또는 일 한 가지만 해줄 때에 비해 적은 양의 열과 일로 동일한 효과를 얻을 수 있다. 물을 데운 방법에는 상관없이, 데워진 물은 온도만 같으면 모든 성질이 똑같다. 따라서 물의 상태에만 의존하는 어떤 고유한 성질이 열 또는 일에 의해 변했다고 볼 수 있으며, 이와 같은 고유한 성질을 내부에너지(E)라 한다. 어떤 상태 변화에서 내부 에너지의 변화량은 마지막 상태의 값과 처음 상태의 값의 차이이다. 그러나, 열과 일은 상태 변화가 어떤 경로에 따라 일어나는가에 따라 달라지는 '경로 의존 함수'이다. |
줄은 이 장치를 이용하여 열과 기계적인 일이 같음을 보였다(1843년).<출처:Ian Duster at en. wikipedia.com> |
열역학 제1법칙 : 고립계의 에너지는 변화가 없으며, 다만 형태가 변할 뿐이다
화학에서는 우리가 관심을 주는 대상을 계(system)라 하고, 계를 제외한 나머지를 주변이라 한다. 열역학 제1법칙은 계의 내부에너지 변화량(ΔE)은 계가 주변에서 받은 열(Q)과 계에 가해진 일(W)의 합으로 나타낸다.
계가 주변으로 열을 방출하거나 주변에 일하게 되면, Q와 W의 부호는 음(-)이 된다. 이는 계의 에너지가 감소할 때 일어난다. 이처럼 열과 일은 계의 에너지가 변할 때 계에서 외부로 (또는 외부에서 계로) 전달되는 것이다. 계의 에너지가 감소하는 과정에서 열이 전혀 방출되지 않으면 (Q=0), 계의 내부에너지 감소는 외부에 한 일(-W)과 같다. 따라서 내부에너지는 계가 일을 할 수 있는 능력이 된다.
내부에너지는 계가 갖는 모든 에너지의 합이다. 에너지는 열이나 일로 변환될 수 있는 모든 것을 말하는데, 여러 가지 형태로 나누어 구분하기도 한다. 변화되는 것이 무엇인가에 따라 핵∙화학∙위치 또는 물질 이름 등을 에너지 앞에 붙이거나, 에너지가 어떤 형식으로 있는가에 따라 빛∙전기∙표면∙운동∙열∙음향 등을 에너지 앞에 붙이기도 한다.
계가 주변에서 완전히 차단된 고립된 계에서는 계가 주변에서 열을 받거나 줄 수 없고, 또 주변에서 계로 일을 해주거나 계에서 주변으로 일할 수도 없다. 이 경우 Q와 W가 모두 0이 되므로, ΔE = 0, 즉 계의 에너지 총량인 E의 변화가 없다. 우주는 하나의 고립계로 볼 수 있다. 따라서 열역학 제1 법칙은 '우주와 같은 고립계의 에너지 보존 법칙'으로 볼 수 있다. 우주 안에서 어떤 변화가 일어나도, 우주의 에너지는 변화가 없으며, 다만 에너지 형태가 변할 뿐이다.
화학적인 일은 주로 압력과 부피가 변하는 반응을 말한다
일에는 여러 가지 종류가 있다. 화학에서 중요한 일은 압력(P)-부피(V) 일, 전기적 일(전위차 x 이동한 전하량), 표면 일(표면장력 x 늘어난 표면적) 등이 있다. 상태 변화나 화학 반응 등을 고려할 때는 대부분은 P-V 일만 고려하면 한다. 압력은 단위 면적당 작용하는 힘이다. 그림에서 보듯이, 외부 압력에 대항하여 부피가 팽창하는 것은 외부에 대해 일을 하는 것이고, 그 일은 PΔV가 된다. 따라서 다른 일이 없는 경우, 열역학 제1법칙은 다음과 같이 된다.
어떤 변화가 일어날 때의 부피 변화가 없으면 PΔV =0이므로, 내부에너지 변화량은 받은 열량과 같다. 예로 설탕이 연소할 때의 내부에너지 변화량(ΔE)은 설탕과 산소를 혼합시킨 것을 용기에 넣고, 반응을 유발하여 설탕을 연소하고 나서 용기 전체의 부피와 온도가 연소 전의 부피와 온도와 같게 하기 위해 주변에서 계로 가해져야 할 열량과 같다. 실제는 이 반응은 내부에너지가 감소하는 반응으로, 이의 감소량은 주변으로 방출되는 열량과 같다.
외부 압력에 대한 부피 팽창은 일은 라흔 넋임을 보이는 그림(왼쪽).
우리 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 고립된 계는 보온병이다(오른쪽).
<출처:Denae Bedard at en. wikipedia.com>(오른쪽)
이처럼 어떤 변화를 부피가 일정하도록 한 상태에서 일으키고, 이때 주변에서 계로 가해지거나 계에서 주변으로 방출되는 열량을 측정하면 내부에너지 변화량을 구할 수 있다. 그러나, 우리가 설탕을 섭취하였을 때, 체내에서 연소하여 방출되는 열량은 연소 반응의 내부에너지 변화량과는 다르다. 왜냐면 체내에서의 연소는 일정 부피 하에서 일어나는 것이 아니고, 일정 압력 아래에서 일어나기 때문이다.
자연계에서는 일정 압력 하에서의 변화가 더 많다
자연계에서의 대부분의 변화는 대기압(1기압)하에서 일어난다. 따라서 일정 부피에서 일어나는 변화보다는 일정 압력에서 일어나는 변화에서 얼마의 열과 일을 얻을 수 있는가를 아는 것이 실제적으로는 더욱 중요하게 된다. 이는 엔탈피(enthalpy)를 도입하여, 열역학 제1법칙으로부터 쉽게 유도할 수 있다.
글 박준우 / 이화여대 화학‧나노과학과 교수
서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 현재 이화여대 화학‧나노과학과 교수이다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]가 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.
발행일 2010.03.04
원본 위치 <http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=2174&path=|453|489|&leafId=636>
열교환기
서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 장치를 열교환기라 하며, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다.
열교환기의 종류
기하학적 형태에 따른 분류
1) 원통다관식 (Shell&Tube) 열교환기
가장널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.
2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기
외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬수가 있다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 전열면적이 20m2 이하의 것에 많이 사용된다. 이중관식열교환기에서는 내관 및 외관의 청소점검을 위해 그랜드 이음으로 전열관을 떼낼수 있는 구조로 하는수가 많다. 이같은 구조에서는 열팽창·진동 기타의 원인으로 이음부분에서 동측유체가 누설되는수가 있으므로 동측유체는 냉각수와 같은 위험성이 없는 유체 혹은 저압유체를 흘린다. U자형전열관과 관상동체 및 동체커버로 이루어지며 전열관은 온도에 의한 신축이 자유롭고 관내를 빼낼 수 있는 이중관헤어핀형 열교환기기 있다. 또 전열효과를 증가시키기위해 전열관 외면에 핀(fin)을 부착시킨것도 있다.
3) 평판형 (Plate Type)열교환기
유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스성형된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존점검이 쉬울뿐만 아니라 전열판매수를 가감함으로써 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지가스켓을 사용하고 있으므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한계사용압력 및 온도는 각각 약 5kg/cm2, 150℃이다. 주로 식품공정과 같이 자주세척하여 청결을 유지할 필요가 있는경우에 사용되며 아래와 같은 경우에는 적절하지 못하다.
- 0.5mm이상의 고체 입자를 함유한 액체
- 열전달 면적이 2500m2 이상
- 25 kg/cm2 및 250℃이상
- 상변화가 있는 경우
- 유체의 속도 0.1m/sec이하인 경우
가스켓을 사용하지 않고 용접 또는 납땜에 의해 일체로 제작된 것은 온도의 제한이 완화 되지만 전열면의 점검이나 청소를 할 수 없으므로 부식성 또는 오염이 심한 유체에는 사용할 수없다.
4) 공냉식 냉각기(Air Cooler)
냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기이다. 공기는 전열계수가 매우 작으므로 보통 전열관에는 원주핀이 달린 관이 사용된다. 공냉식열교환기에는 튜브 Bundle에 공기를 삽입하는 삽입통풍형과 공기를 흡입하는 유인통풍형이 있다. 냉각식열교환기는 냉각수가 필요없으므로 (수원보호의 필요가 없으므로)최근 그 이용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 넓은 설치면적이 필요하며 건설비가 비싸고, 관에서의 누설을 발견하기 어렵고, 전열관의 교환이 곤란한 점등의 단점이 있다.
5) 가열로 (Fired Heater)
액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이 때 발생하는 연소열을 이용하여 투브내의 유체를 가열하는 방식이다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으며 열전달 메카니즘은 복사 및 대류를 포함하므로 설계하기가 매우 어렵다. 공해의 문제가 있으나 매우 큰 열량을 얻기 위한 공정에서 많이 쓰인다.
6) 코일식 (Coil Type) 열교환기
탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이다. 교반기를 사용하면 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있다.
4.1.2 기능에 따른 분류
1) 열교환기 (Heat Exchanger)
좁은 의미의 열교환기는 일반적으로 상변화가 없는, 두 공정 흐름사이에 열을 교환하는 장치를 말하고, 넓은 의미로는 냉각기, 응축기등을 포함한다.
2) 냉각기 (Cooler)
냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 냉각한다.
3) 응축기 (Condenser)
냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 부분응축 (Partial Conden- sation)또는 총응축 (Total Condensation)시키기 위한 열교환기로서 열전달의 메카니즘은 주로 응축에 의해 이루어 지며, Heat Duty또한 응축열이 주가 된다.
4) 재비기 (Reboiler)
스팀등의 가열매체를 이용하여 증류탑의 바닦에서 유입되는 공정유체를 Boiling시켜 증기를 발생시킴으로써 증류탑으로 공급되어야 할 열을 전달하는 열교환기로서 증기발생은 단일상 또는 2상 혼합물로 할 수 있다.
5) 증발기 (Evaporator)
용액의 질을 향상 시키기 위해, 스팀등을 이용하여 증발에 의해 용매를 제거 시키는 열교환기이다.
6) 예열기 (Preheater)
공정으로 유입되는 유체를 가열하는 열교환기이며, 이때 가열매체는 공정유체 또는 스팀등을 이용한다.
7) 2상 흐름 열교환기 (Two Phase Flow Heat Exchanger)
2상의 혼합물이 Shell측 또는 Tube측으로 흐르는 열교환기를 말하며, 응축기와 재비기 등으로 구별된다.
4.1.3 원통다관식 (Shell & Tube Type)열교환기의 종류
다음은 TEMA에 의한 열교환기의 분류표이다. TEMA(Tubular Exchanger Manufacturer Association)는 원통 다관식 열교환기 (Shell & Tube Heat Exchanger)제작자들이 결성한 모임으로 1968년부터 자신들의 표준규격 (TEMA Standard)을 발표하고 있다. 이 규격은 원통다관식 열교환기의 구조, 설계에서부터 제작, 설치에 이르기 까지 거의 모든 범위를 언급하고 있으며 플랜트 설계시 열교환기의 표준으로 이용되고 있다.
1) 유동두형열교환기 (Floating Head Type)
전열관이나 방해판을 양측의 관판(Tube Sheet)에 짜넣은 상태를 관속(Tube Bundle)이라고 하며 이 관속의 한쪽에 관판(고정측관판)은 동체(Shell)의 한쪽에 플랜지로 고정시키고 다른쪽 관판은 동체에 아무런 구속도 받지않는 구조로 되어있으므로 유체의 온도에 따라 동체 및 전열관이 열팽창하여도 거기에 대응할 수 있는 구조이며 또 관속을 동체에서 빼내서 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기이다. 이형식의 특징은 다음과 같다.
가) 전열관내외 모두 청소가 가능하므로 오염이 생기기 쉬운 유체에 대해서도 적합 하여 사용범위가 넓다.
나) 전열관이나 동체가 서로각기 열팽창될 수 있으므로 온도차가 큰 경우에도 사용 할 수 있다.
다) 가), 나)항의 이유로서 어느 형식보다도 설계조건 및 운전조건에 상응할 수 있는 기능을 가진 구조이며 가장 융통성이 크다. 그러나 이에 따라 구조가 복잡하므로 제작비가 비싸게 되는 단점이 있다.
1. Stationary Head - Channel 20. Slip-on Backing Flange
2. Stationary Head - Bonnet 21. Floating Head Cover - External
3. Stationary Head Flange - Channel or Bonnet 22. Floating Tubesheet Skirt
4. Channel Cover 23. Packing Box Flange
5. Stationary Head Nozzle 24. Packing
6. Stationary Tubesheet 25. Packing Gland
7. Tubes 26. Lantern Ring
8. Shell 27. Tie Rods and Spacers
9. Shell Cover 28. Transverse Baffles or Support Plates
10. Shell Flange - Stationary Head End 29. Impingement Plate
11. Shell Flange - Rear Head End 30. Longitudinal Baffle
12. Shell Nozzle 31. Pass Partition
13. Shell Cover Flange 32. Vent Connection
14. Expansion Joint 33. Drain Connection
15. Floating Tubesheet 34. Instrument Connection
16. Floating Head Cover 35. Support Saddle
17. Floating Head Flange 36. Lifting Lug
18. Floating Head Backing Device 37. Support Bracket
19. Split Shear Ring 38. Weir
39. Liquid Level Connection
2) 고정관판형 열교환기 (Fixed Tube Sheet Type)
관판을 동체의 양측에 용접등의 방법으로 고정시킨 구조의 열교환기이다. 동체측유체와 관측유체의 온도에 의해 전열관과 동체는 열팽창차가 생기고 그 때문에 열응력이 큰 경우에는 동체에 신축이음을 설치하여 열팽창을 흡수하는 구조가 필요하다. 이 형식은 동체측의 청소, 점검 및 보수가 곤란하므로 부식성과 오염이 적고 침전물이 생기지 않는 유체에 적당하다. 고정관판형의 특징은 다음과 같다.
가) 동체의 오염이적고 유체에의한 동체 및 전열관의 온도차가 작을 때 또는 열팽창 차가작을 때에는 최적의 구조이다.
나) 종형의 관식반응기로서 용도가 넓다.
3) U-자 관형 열교환기 (U-Tube Type)
U자관형의 전열관을 사용한 형식의 것이며 전열관은 동체와는 관계없이 유체의 온도에 따른 신축이 자유로우며, 또 관속을 그대로 빼내서 청소 및 점검할 수 있는 구조로서 유동두형의 경우와 같다. 그러나 유동두형의 경우 직관이기 때문에 청소가 쉬우나 U자형의 경우는 관내의 청소가 곤란하다. U자관형의 특징은 다음과 같다.
가) 열팽창에 대해 자유롭다.
나) 관속을 빼낼수가 있으므로 관외면의 청소도 쉽게 할 수 있다.
다) 고압유체에 적합하다. 고압유체를 관내에 흘리면 내압부분이 적어도 되므로 중 량을 경감시킬수가 있다.
라) 구조가 간단하여 관판이나 동체측플랜지가 적어도 되므로 제작이 비교적 간단하 다.
4) 케틀형 열교환기 (Kettle Type)
동체의 상부측은 증발이 잘되도록 빈공간의 증기실이 있다. 액면의 높이는 최상부관보다 적어도 50mm높게 하는 것이 보통이다. 특징은 다음과 같다.
가) 폐열보일로러서는 가장 구조가 간단하다.
나) 따라서 손쉽게 값싼 증기를 얻는데 널리 사용된다.
다) 관속은 유동두식, U자관식으로 할 수가 있으므로 오염되기 쉬운 유체, 압력이 높은 유체에도 적용할 수 있다.
원통다관식 열교환기 구조
Shell & Shell Side
1) Shell의 종류 (앞페이지 TEMA Type열교환기 참조)
가) "E" Type은 우선 가격이 저렴하고 전열효과도 커서 가장 널리 이용되고 있는 형태이다. 압력손실이 커서 응축기로 사용하게 되면 응축물이나 비응축가스가 누적될 수 있으므로 방해판이나 노즐설계시 주의해야 한다.
나) "F" Shell은 Shell side에 Longitudinal baffle이 있어서 실제로 Shell이 2 Pass 되는 것으로, 주로 가열유체의 출구온도 보다 수열유체의 출구온도가 더 높을[ Overlap(Cross)되었다고 함] 경우 "F" Shell을 사용한다. 양 유체의 온도가 Overlap되면, 완전 향류(Counter flow)로 흐르는 1-1 Pass의 경우(Double pipe) 는 문제가 없지만 Mulit-pass인 경우는 병류가 존재하므로 온도 보정계수(F)가 0.75∼0.8까지 떨어지게 된다. 이 경우 Shell 수를 증가시켜 Series로 설계하여 온도의 Cross를 없애던가, "F" Shell로 설계하여 병류를 없애고 향류와 십자류만 존재하게 설계한다.
다) "G"와 "H" Shell은 Longitudinal baffle이 있는 Split flow type이라고 부르며 압력손실은 "E" Shell과 같으나, 전열효과는 더 좋다. 주로 Horizontal thermosiphon reboiler에 사용되는 Shell형태이지만, 때로 헌열(Sensible)열교환기에도 사용된다.
라) "J" Shell은 Shell side유량을 두 개의 Nozzle로 나누어 유동시키는 Divided flow이기 때문에 허용 압력손실이 작은 열교환기 설계할 때 적합하다. 이때 성능은 감소하지만 제한된 압력손실은 "E" Shell 보다 약 1/8 정도 감소한다. 또 Shell side상부에서 증기가 들어와 응축되는 경우, 2개의 Nozzle로 들어와 응축수는 1개의 Nozzle로 나가는 2J1-Shell을 사용하여 반대로 하부에서 유체가 들어와 비승되는 경우는 1J2-Shell을 사용한다.
마) "K" Shell은 Shell side에서 풀 비등이 일어날 때 사용하며, 비등이 잘 일어나고 액체와 증기가 잘 분리될수 있도록 증기실을 설치한 형태이다. 증기실의 크기는 Bundle 직경의 1.5∼2배 크기로 하지만 Bundle직경이 작은 경우는 Splashing과 거품(Foamming)을 방지하기 위하여, 액면에서 증기출구까지 거리는 최소한 10"이상의 간극을 둔다. 그리고 Tube 길이는 가능한 5m이하로 설계하고 이 보다 클 경우에는 증기의 출구를 2개 이상 설치한다.
바) "X" Shell은 십자류(Cross flow)만 존재하기 때문에 Shell Type중에서 전열효과가 떨어지나, 압력손실이 가장 작기 때문에 평균 온도차(Mean Temperature Difference)에 큰 영향을 받는 Condenser와, 입구에서 많은 증기가 들어와서 진동문제를 유발시키는 경우에 적합한 형태이다. 또 단일성분의 전응축이나 응축범위가 좁은 유체에서도 효과적이다. 특히 이형태는 압력손실이 낮기 때문에 진공(Vacuum)상태일 때 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 유체속도로 인하여 비응축 가스가 축척되는 경우가 있으므로 비응축가스가 있는 Partial 응축의 경우 좋은 선택이 못되며, 입구증기의 분배문제 때문에 Tube길이를 결정할 때 Shell직경의 5배를 넘지 않도록 설계한다.
2) Shell side의 유체
Shell side는 구조에 따라 전열효과가 크게 변하는데, "E" Shell을 기준으로 설명하면 Tube를 가로질러 유체가 흐를 때 십자류(Cross flow)라 하며 Baffle이 Cut된 부위를 Window라 하는데 이곳을 통과할 때 처럼 Longitudinal 방향으로 흐르는 유체의 유동을 평행류(Window flow또는, Longitudinal flow)라 한다. Shell side는 구조적으로 열전달 계수의 함수인 Reynolds number를 크게 할수 있는 구조로 되어 있기 때문에 가능한 두 유체중 점도가 큰 유체를 넣는 것이 유리하다. 또한 부식성이 큰 유체를 Shell side에 넣으면 Shell뿐만아니라 Tube, Baffle 등을 부식하기 때문에 가능한 이러한 유체는 Tube side로 고려하고, 압력과 온도가 높은 유체도 Shell두께를 증가시키기 때문에 가능한 제한하고 있다.
구조적으로 Shell side는 복잡하여 열전달 계수, 압력손실 계산에 어려움이 많고 부정확하여 정확한 계산 결과를 요구하는 공정유체는 Tube side로 넣는다. 그리고 Baffle 간극 및 압력손실의 범위에서 유속을 빠르게 하면 열전달계수를 크게 설계할 수 있만, 유속을 너무 빠르게 하면 Erosion때문에 부식의 진행속도를 촉진시킨다. 일반적으로 Shell side유속은 유체와 접촉하는 재질과 온도에 차이는 있지만 CS의 경우, 액체일때는 0.2∼1.5m/sec, 기체일때는 2.0∼15m/sec가 적당하다. 반대로 유속이 너무 느리면 Tube외부에 오염이 누적되기 때문에, 바닷물이나 물의경우 0.5m/sec이상으로 한다. 그리고 직교류(Cross flow)와 평행류(Window flow)유속은 가능한 평행류를 약간 빠르게 설계하는 것이 바람직하다. Bundle 형태와 Baffle간극은 유체의 점도와 예상하는 유동형태에 큰 영향을 준다. 일반적으로 층류유동에서 십자류에 대한 유동저항은 Baffle과 Shell, Tube와 Baffle, Passpartition Channel부 유동, Bundle주위로의 누수저항보다는 작아야 한다. 클 경우 누수와 Bypass유체가 커지는 경향이 있어 십자류의 유속을 떨어 뜨린다. 이러한 경향은 Baffle의 간극을 감소시키므로써 더욱 악화되어 점도성유체의 열전달을 오히려 감소시킨다. 또, 층류유동에서 혼합효과가 나쁘면 온도차는 감소하고 결과적으로 열적 성능이 떨어진다. 그러므로 Shell side가 층류유동일때는 Baffle과 Shell간극을 좁게하고 Passpartition에 Dummy pipe를 넣고, Bundle과 Shell간극에 Seal strips을 넣어 유동을 촉진시킨다. Shell side가 난류유동일 때 운동량의 변화가 크면(즉, Baffle간격을 줄이면)십자류에 관계되는 Bypass와 누수를 줄이는 효과가 있다. 그리고 더 좋은 혼합효과가 있어 평균 온도차에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.
3) Shell 내경
Shell ID는 Kettle형태를 제외하고는 일반적으로 350mm부터 최대 1500mm까지 사용되며 50mm간격으로 증가 또는 감소시키며 Shell ID를 결정하고, Shell에서 꺼낼 필요가 있는 Tube Bundle은 15∼20ton을 초과하지 않아야 한다. 350mm미만일 경우에는 표준배관을 사용하는 것이 유리하여 이때 14", 12", 10", 8"등을 사용한다.
4) Vapor Belts
Shell side입구로 유입되는 증기를 가능한 균등하게 Tube bundle로 유입할수 있도록 하는 장치인데 주로 이 Belts는 입구의
rho V^2
이 커서 Impingement Plate가 요구되는 경우에, Shell의 직경이 필요이상 커지는 것을 방지하고, Vapor가 한곳으로 유입하여 Tube에 충격은 물론 진동문제를 발생시키는 것을 방지하고, 또 Nozzle내경이 Shell내경의 1/2보다 클 경우와 Nozzle내경에 비해 Inlet space가 작을 경우 사용된다.
증기가 들어가는 Slot hole의 전체면적은 특별한 요구가 없으면 입구 Nozzle단면적의 2∼2.5배 정도로 하고 이곳의
rho V^2
은 1500(
lb/ft" " s^2
)혹은 2230(
Kg/m " "s^2
)보다 작게한다. 그리고 최상단과 하단부에서 Vent와 Drain을 설치한다.
4.2.2 Tube & Tube side
1) Tube의 종류와 선정
Tube는 열교환기에서 가열유체와 수열유체간에 열을 수수하는 가장 중요한 부품으로서 Shell side와 Tube side 양 유체에도 견디는 재질을 선정하여야 하며 성능(Performance)를 위하여 가능한 열전도도가 좋은 재질은 물론이고 Tube두께도 얇은 것을 사용하는 것이 유리하다. 단, Tube에서의 부식허용(Corrosion Allowance)은 고려하지 않는다.
Tubular열교환기에서 Tube는 Plain tube와 Low fin tube로 나눌 수 있으며 Low fin tube의 Fin은 Tube의 전열면적을 증가시켜주기 때문에 열교환기를 더 작게 설계할 수 있는 장점은 있으나 고가이기 때문에 거의 사용이 안되고 있다. 또 이 Tube선정시에는 오염계수(Fouling factor)가 0.003(
Ft^2 hr ℉ / Btu
)이상이거나 부식률(Corrosion rate)이 2(Miles/year)이상일때는 사용을 제한한다.
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Service |
Material |
직경 |
Wall Thickness |
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Water |
Non-Ferrous Ferrous |
3/4" 3/4" or 1" |
0.065" 14 or 12 DWG |
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Oil Service Non-Fouling or Fouling (<0.003) Mildy Corrosive Non-Fouling or Fouling (<0.003) Corrosive Extremely Fouling (>0.003) Mildy Corrosive Extremely Fouling (>0.003) Corrosive |
Ferrous |
3/4" 3/4" 1" 1" |
14 BWG Heavy Wall Tube required Heavy Wall Tube required Heavy Wall Tube required |
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General Service Non-Fouling or Fouling(<0.003) Extremely Fouling (>0.003) |
Alloy Tube |
3/4" 1" |
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< Tube 직경과 두께 > |
Tube의 사양(직경, 두께, 길이)은 기본적으로 전열조건, 강도조건, 유체의 오염정도와 경제성등에 따라 최적의 치수를 선정하여야 한다. 외경이 작은 Tube는 동일 Shell에 외경이 큰 Tube보다 더 많은 본수를 배열 할 수 있고 또 유체의 유속이 같다고 한다면 Tube외경이 작은 쪽이 열전달계수가 커지므로 열효율을 고려하여 가능한 직경이 작은 Tube가 사용하도록 요구되는데 실제적인 제한은 물리적인 청소에 있다. 물리적인 청소를 위하여 최소한 3/4"이상이 되어야 한다. 그러나 청결한 유체이거나, 화학적인 청소만 요구되고 Tube side에 압력손실이 고려사항이 아니라면 Tube의 직경이 작은 것을 사용하여 성능을 개선한다. 그리고 설계할 때 길이 제한조건이나 압력손실에 대한 제한조건이 없다면 가능한 Tube본수를 줄이고 Tube길이를 길게하면 압력손실과 열전달 계수가 커지기 때문에 Shell의 직경과 Flange, Tube sheet가 작아져서 경제적인 설계를 할 수 있다. 반면에 Tube의 길이가 커지면 Bundle을 제거할 때 Tube 길이와 동일한 공간이 필요하므로 공간에 대한 제한이 따른다. 그리고 인발강관 최대 길이가 9m이므로 설계시 구매에 따른 문제도 고려하여야 한다.
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OD |
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Wall Thickness |
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ID |
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Outside Surface |
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in |
mm |
BWG |
in |
mm |
in |
mm |
ft^2 / ft |
m^2 / m |
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0.250 |
6.350 |
22 24 |
0.028 0.022 |
0.711 0.559 |
0.194 0.206 |
4.928 5.232 |
0.066 |
0.020 |
|
|
0.375 |
9.525 |
18 20 22 |
0.049 0.035 0.028 |
1.245 0.889 0.711 |
0.277 0.305 0.319 |
7.036 7.747 8.103 |
0.098 |
0.030 |
|
|
0.500 |
12.700 |
18 20 |
0.045 0.035 |
1.245 0.889 |
0.402 0.430 |
10.211 10.922 |
0.131 |
0.040 |
|
|
0.625 |
15.875 |
16 18 20 |
0.065 0.049 0.035 |
1.651 1.245 0.889 |
0.455 0.527 0.555 |
12.573 13.386 14.097 |
0.164 |
0.050 |
|
|
0.750 |
19.050 |
12 14 16 18 20 |
0.109 0.083 0.065 0.049 0.035 |
2.769 2.108 1.651 1.245 0.889 |
0.530 0.584 0.620 0.652 0.680 |
13.462 14.834 15.748 16.561 17.272 |
0.196 |
0.060 |
|
|
0.875 |
22.225 |
14 16 18 20 |
0.083 0.065 0.049 0.035 |
2.108 1.651 1.245 0.889 |
0.709 0.745 0.777 0.805 |
18.008 18.923 19.736 20.447 |
0.230 |
0.070 |
|
|
1.000 |
25.400 |
12 14 16 18 |
0.109 0.083 0.065 0.049 |
2.769 2.108 1.651 1.245 |
0.782 0.834 0.870 0.902 |
19.863 21.184 22.098 22.911 |
0.262 |
0.080 |
|
|
1.250 |
31.750 |
10 12 14 16 |
0.134 0.109 0.083 0.065 |
3.404 2.769 2.108 1.651 |
0.982 1.032 1.084 1.120 |
24.943 26.213 27.534 28.448 |
0.327 |
0.100 |
|
|
1.500 |
38.100 |
10 12 14 16 |
0.134 0.109 0.083 0.065 |
3.404 2.769 2.108 1.651 |
1.232 1.282 1.334 1.370 |
31.293 32.563 33.884 34.798 |
0.393 |
0.120 |
|
|
2.000 |
50.800 |
11 13 |
0.120 0.095 |
3.048 2.413 |
1.760 1.810 |
44.704 45.974 |
0.524 |
0.160 |
|
|
2.500 |
63.500 |
9 |
0.148 |
3.759 |
2.200 |
55.880 |
0.654 |
0.199 |
< Plain Tube Dimension > |
2) 튜브측 유체
Tube side의 유체는 일반적으로 냉각수(Cooling water), 부식성 유체 혹은 침전물이 있는 유체, Fouling유체, 점도가 작은 유체를 넣으며, 압력이 높아도 직경이 작아서 거의 영향을 안받기 때문에 고압의 유체를 넣는다. 그 외에도 누수나 Bypass가 없으며 압력손실 및 열전달 계수의 계산이 쉽고 정확한 장점도 있다. Tube side유량은 Shell side에 비해서 차이가 커도 Pass수로 조절이 가능하기 때문에 탄력성이 있으며 열전달계수를 증가시키기 위하여 유속을 증가 시켜야되는데 이 경우는 Pass수를 증가시키면 된다. 물론 유속이 증가하면 압력의 손실도 커진다. 항상 허용압력 범위에서 재질과 온도에 따른 제한속도 미만으로 선정한다. 이때 관내 열전달 계수는 유속과 다음과 같은 관계를 가진다.
층류영역 :
Re" " <=" " 2,100 " " h_t" " PROPTO" " U^0.23
천이영역 :
2,100 <= " "Re" "<=" " 10,000 " " h_t" " PROPTO" " U^0.23∼0.8
난류영역 :
Re" " >=" " 10,000 " " h_t" " PROPTO" " U^0.8
또한 압력손실과 유속의 관계는 다음과 같다.
층류 및 천이영역 :
Delta P" " PROPTO" " U^1.0
난류영역 :
Delta P" " PROPTO" " U^1.8
유속은 앞에서 설명되었지만 필요이상 빠르게 설계하면 Erosion의 원인을 초래하여 부식의 진행속도를 촉진하는 결과가 되므로 주의를 요한다. 일반적으로 Tube재질과 관계가 있지만 강관의 경우, 액체일 때 0.5∼3.0m/s, 기체일 때 5.0∼30m/s가 적합하다. 같은 액체라도 밀도차이가 있으므로
rho V^2
을 기준으로 계산하면 된다. 또, 온도와 유속과의 관계를 보면 유체의 온도가 고온일수록 허용속도는 낮아진다. 반대로 유속을 너무 느리게 설계하면 오염물들이 침전되어 누적되고 나중에는 Tube가 막히는 경우도 발생할 수 있다. 그러므로 물의 경우 최소유속을 1m/s이상으로 설계하는 것을 추천한다.
|
Tube 재료 |
Aramco Spec |
General |
|
|
탄소강 |
1.8 |
2.0 |
|
|
Admiralty |
1.5 |
2.5 |
|
|
Aluminum brass or bronze |
2.4 |
3.5 |
|
|
70 Cu - 30 Ni |
3.0 |
3.5 |
|
|
90 Cu - 10 Ni |
3.0 |
3.5 |
|
|
Monel |
3.7 |
3.5 |
|
|
SUS 강 |
4.6 |
3.5 |
|
|
Copper |
2.1 |
- |
< 튜브측 최대 허용온도 , m/s > |
다음은 튜브측의 유체를 선정하는 순위이다.
① 냉각수(Cooling Water)
② 부식성유체 혹은 침전물이 있는 유체
③ 오염이 큰 유체
④ 두 유체중 점도가 작은 유체
⑤ 압력이 높은 유체
⑥ 온도가 높은 유체
⑦ 정확한 압력손실이 요구되는 유체
⑧ 제한된 압력손실이 요구되는 유체
상기 조건외에도 응축할 증기와 입출구에서 온도변화가 큰 유체(300∼350℉이상)는 열팽창과 열응역 문제를 최소화하기 위하여 Shell side로 통과시킨다. 유체의 Side선정이 끝나면 경제성(Fixed Type < U-Type < Floating Type)과 유지 및 보수를 기본 배경으로 하기의 사항을 참고하여 선정한다.
① Tube side유체의 오염이 심각하다면 Straight tube를 이용한다.
② Tube side유체의 오염이 경미하고 Chemical cleaning을 할수 있다면 Straight 나 U-Tube를 선정한다.
③ Shell side유체의 오염이 다소있다면, Bundle을 분리가능한 형태로 선정하고 4 5°나 90°Layout을 선정한다.
④ Shell side유체의 오염이 경미하거나 오염이 없는 경우는 Fixed type혹은 U-tube type에 30°Layout을 선정한다.
⑤ 양 Side유체의 오염이 경미하면 U-Tube type이나 Fixed type으로 선정한다.
⑥ Shell side유체의 오염은 경미하나 Tube side는 오염이 큰 경우 30°Layout과 Fixed type을 선정한다.
⑦ Shell side유체는 오염이 크고 Tube side는 오염이 작으면 U-Tube type혹은 Floating head type에 45°나 90°Layout으로 선정한다.
⑧ 양 Side모두 오염이 크면 Floating head type 과 45°나 90°Layout으로 선정한 다.
⑨ Tube side유체의 오염이 많아 정기보수시 마다 청소가 필요한 경우 'A' Type을 선정한다.
⑩ Tube side의 설계압력이 고압이면 'D' Type을 선정한다.
⑪ 수직형 열교환기는 'B' Type을 선정한다.
⑫ 유체가 고압이거나 독극물인 경우는 Bundle과 Channel이 일체형인 'C' Type을 선정한다.
⑬ Shell & Tube side 두 유체의 접촉으로 피해가 있는 경우는 Double tube sheet 를 고려해 본다.
3) Tube의 배열
Tube의 배열방법에는 30°, 60°의 삼각배열과 45°, 90°의 사각배열이 있다. Shell side에 오염이 적은 유체는 삼각배열로 하고, 오염이 많은 유체는 사각배열로 하여 청소가 가능하도록 한다. 또 Reboiler와 같이 Shell side에서 Vapor를 발생시키는 경우에는 유효 전열면적을 감소시키는 침전물, Air pocket을 최소화시키기 위하여 90°배열을 사용한다. Tube배열에 대한 각도별 특성을 알아보면 다음과 같다.
- 30°: Staggered layout은 Shell side오염계수(Fouling factor)가 0.002(
ft^2 hr ℉ / Btu
) 보다작은 경우에 사용하며 주어진 Shell 안에서 가장 큰 전열면적을 얻을 수 있기 때문에 전열효과는 좋으나 압력손실이 크다. Reboiler에서 30°Layout 을 사용할 경우 열유속(Heat flux)이 6000(
Btu / hr ft^2
)을 초과하지 않는 경우에 사용할 것을 추천한다.
- 60°: Staggered layout은 상변화가 없는 유체에 사용한다. 압력손실 대 전열효과 가 낮기 때문에 일반적으로 추천하지 않는다.
- 45°: Staggered layout은 난류를 유도할수 있기 때문에 층류유동에 좋다. 그리고 전열효과대 압력손실의 효과는 크지만 주어진 Shell에서 30°와 비교할 때 약 85%정도 효과가 있다. 그러나 정확한 이유는 확인이 안되고 있지만 이 배열에서 소음진동이 자주 발생되는데 이때는 90°로 변경하면 문제를 해결 할 수 있다.
- 90°: Inline layout은 가능한 층류(Laminar flow)에서 피하여야 한다. 그러나 난 류에서는 효과적이며 특히 허용 압력손실이 작을 때 바람직하다.
그리고 Tube배열시 Baffle의 Cut방향에 따라 유체의 유동방향이 30°와 60°가 종종바뀌는 경우가 있어 성능차이가 생기는 것을 볼 수 있다. 항상 유체의 유동기준은 Mid-space에서 유체의 유동 방향을 가지고 Tube배열을 한다.
4) Tube pitch
Tube의 Pitch란 위 그림 a와 같이 Tube의 중심(Center)에서 중심까지의 거리를 의미하며 TEMA에서는 Shell side의 물리적인 청소(Mechanical cleaning)를 위하여 Cleaning lane을 최소한 0.25"를 주도록 되어있고, 또 Tube외경의 1.25배 이상 거리를 두도록 되어 있다. 성능향상을 위해 보통 Shell내경을 줄이고 가장 작은 Pitch를 사용하지만 부득이 Shell side에서 응축수(Condensate)가 많아 Bridge형상이 생기는 경우와 진동문제 때문에 Shell직경을 크게 하여야 하는 경우, Tube를 Shell내경전체에 균등하게 배열하기 위하여 Pitch를 크게해주는 경우가 있다.
Tube pitch는 Tube외경이 1½"보다 클 경우는 항상 Tube외경의 1.25배로 하고, 압력이 50Psig보다 작은 Kettle type reboiler그리고 열유속이 16,000(
Btu/ft^2 hr
)보다 큰 경우 Tube간 간극을 3/8"로 한다.
|
Tube O.D |
|
Pitch (Pt) |
|
Pitch Ratio |
|
|
Inch |
mm |
Inch |
mm |
|
|
|
0.250 |
6.350 |
0.312 0.375 |
7.938 9.525 |
0.250 1.500 |
|
|
0.375 |
9.525 |
0.500 0.531 |
12.700 13.494 |
1.330 1.420 |
|
|
0.500 |
12.700 |
0.625 0.656 0.688 |
15.875 16.669 17.462 |
1.250 1.310 1.380 |
|
|
0.625 |
15.875 |
0.781 0.812 0.875 |
19.844 20.638 22.225 |
1.250 1.300 1.400 |
|
|
0.750 |
19.050 |
0.938 1.000 1.062 1.125 |
23.813 25.400 26.988 28.575 |
1.250 1.330 1.420 1.500 |
|
|
1.000 |
25.400 |
1.250 1.312 1.375 |
31.750 33.338 34.925 |
1.250 1.312 1.375 |
|
|
1.250 |
31.750 |
1.562 |
39.688 |
1.250 |
|
|
1.500 |
38.100 |
1.875 |
47.625 |
1.250 |
|
|
2.000 |
50.800 |
2.500 |
63.500 |
1.250 |
< Standard Pitch Size > |
5) Tube Pass와 Partition Lane
Tube side의 유속을 증가시기 위해 Tube Pass수를 증가시키게 되는데 Shell내경이 작으면 제작상 Tube Pass수를 어느이상 증가시킬수는 없다.
|
Shell의 내경 |
Max. Pass 수 |
Shell의 내경 |
Max. Pass수 |
|
< 10" |
4 |
30" ∼ 40" |
10 |
|
10" ∼ 20" |
6 |
40" ∼ 50" |
12 |
|
20" ∼ 30" |
8 |
50" ∼ 60" |
14 |
2 Pass이상이 되면 Channel에 Pass partition plate가 있으므로 Shell side에서 이 부분에 Tube를 넣을수가 없게된다. 이 부분을 Pass partition lane이라고 한다. Pass partition lane폭(Tube center에서 Center까지의 거리)은 ¾" Tube의 경우 38∼40mm정도 간격을 두지만 U-Tube의 경우 Min. bending radius가 28.6mm이므로 Lane 폭은 최소한 58mm(19.05mm×3배)가 요구된다. Tube layout시에 조심하여야 할 사항중에 하나이다.
4.2.3 Baffle & Support Plate
1) Baffle의 개요
Baffle은 Shell side유체를 강제로 좌우 혹은 상하로 흐르게 하여 유체와 Tube간 점촉시간을 증가시키고, 난류효과를 일으키며, Baffle간극을 조정하여 유속을 높여주므로써 전열효과를 높이고, 또 Tube bundle을지지(Support)하고 진동(Vibration)을 방지하는데 목적이 있다.
유체의 성질에 따라 Baffle cut방향을 조정하는데 주로 단상유체의 경우는 유체가 상부에서 하부로, 하부에서 상부로 흐르도록 Horizontal cut을 하며, Fouling이 크거나 2상 (Two phase)유체가 존재하는 응축 및 비등의 경우는 좌우로 유체가 유동하도록 Vertical cut을 한다.
일반적으로 Shell side에 순수성분(단일성분)이 응축될때는 기전력(Driving force)이 작용하기 때문에 Baffle의 영향을 거의 받지 않으며, 또 Kettle type 에서도 Pool boiling이 일어나기 때문에 Baffle의 영향을 받지 않는다. 그러므로 이러한 경우 Baffle간극은 TEMA Max. Span을 사용하고 응축시는 최대 Cut(45%)을 하며, Kettle type에서는 비등시킬때는 Full circle을 사용하며 이때는 Baffle이라 하지 않고 Support Plate라 부른다. 산업용 열교환기에서는 주로 Segmental baffle, Double segmental baffle, NTIW(No Tubes in Windows)가 사용되고 있으며, NTIW는 주로 화력발전소(Power plant)용 대형 Cooling water cooler와 같이 Shell side에 유량이 많을 때, 그리고 기상과 액상이 존재하는 2상류에서 기상의 유체가 많아 Vibration이 우려될 때 사용한다. 즉, 이 Type은 Window에 Tube가 없기 때문에 Segmental baffle보다 Unsupport spans길이는 1/2로 줄어서 고유 진동수(Natural frequency)가 4배로 증가되므로 진동문제 해결에 효과적이다. 또 Baffle과 Baffle사이에 Support plate를 넣어주면 더욱 큰 고유 진동수를 얻을 수 있어 공진현상을 조정할 수 있다. NTIW에서 Baffle Cut율은 Tube본수에 아주 큰 영향을 주게되는데 무리하게 Tube의 본수를 많이 넣기위해 Cut율을 줄이면 Cut line부위 Tube에 손상을 유발할 수 있기 때문에 Window의
rho V^2
가 4000(
lb/ft s^2
)을 넘지 않도록 한다. Baffle cut율은 길이나 면적비로 표시하는데, 일반적으로 언급이 없으면 Shell 내경대 Cut길이의 비를 의미한다.
"Baffle cut (%)" = h over D_s times 100
이때 Cut율이 너무 작거나 크면 Segmental baffle에서는 Reciculation eddies가 발생되기 때문에 오히려 열효율은 감소한다. 가장 좋은 Cut율은 보통 20%이다.
2) Baffle간극
Baffle의 간극은 Shell side유체가 통과되기 때문에 제한속도와 허용 압력손실을 고려한 간극으로 설정되어야 한다. Baffle간극이 너무 크면 전열효과가 떨어지는 것은 물론이고 Fouling문제, 진동문제에 제한을 받기 때문에 TEMA에서는 최대Unsupported spans을 규정하고 있다. Unsupport span은 한Baffle에서 다음 Baffle까지의 거리를 말하고 다음과 같이 튜브길이에 따라 최대 허용값이 다르다.
|
Tube O.D |
Tube Materials Temperature Limits(℉) |
|
|
|
|
Carbon Steel & High Alloy(750) Low Alloy Steel(850) Nickel-Copper(600) Nickel(850) Nickel-Chromium(1000) |
Aluminum & Aluminum Alloys Copper & Coppler Alloys Titanium Alloys at Code Max. Allowable Temperature |
|
|
1/4" 3/8" 1/2" 5/8" 3/4" 7/8" 1" 1¼" 1½" 2" |
26"(660.4) 35"(889) 44"(1117.6) 52"(1320.8) 60"(1524) 69"(1752.6) 74"(1879.6) 88"(2235.2) 100"(2540) 125"(3175) |
22"(558.8) 30"(762) 38"(965.2) 45"(1143) 52"(1320.8) 60"(1524) 64"(1625.4) 76"(1879.6) 87"(2209.8) 110"(2794) |
< Max. Unsupported Straight Tube Spans (단위. in) > |
반대로 Baffle간극이 너무 작으면 제작에 문제가 있기 때문에 TEMA에서는 Shell내경의 1/5, 또는 2"(50mm)보다는 커야 한다고 규정하고 있다. 이후 설명이 되겠지만 Baffle간극이 유량에 비해 너무 작으면 'A','E' Stream등이 상대적으로 커지기 때문에 전열효과가 감소한다. 그러므로 설계자는 Baffle간극을 조금씩 줄여 가면서 전열효과가 가장 좋은 간극을 찾아야 한다.
3) Longitudinal Baffle
앞 'F' Shell에서 설명된 바와같이 양 유체간에 온도가 Overlap(Cross)되어 온도 보정계수 'F' Factor가 0.7이하로 낮아질 때 Series(2개의 Shell)로 설계하여야 하나, Heat duty가 작을 경우는 경제성을 고려하여 2개의 Shell 대신에 1개의 Shell가운데 Longitudinal baffle을 사용하여, 유체의 흐름을 향류로 하므로서 이 문제를 해결할 수 있다.
이러한 Longitudinal baffle은 열누수(Thermal leakage, Reheat)는 물론이고 누수가 발생되기 때문에 Shell과 Longitudinal baffle사이에 용접하는 방법도 있으나 Shell내경이 작으면 작업이 어렵기 때문에 얇은 판막으로 Seal plate를 만들어 넣는다. 이 경우 설계자는 Seal plate를 고정할 Bolts/Nuts위치에 Tube가 간섭이 생기지 않도록 특별한 주의가 필요하며 Tie rod설치방법도 사전에 위치 선정이 되어야 한다. 그리고 이 Longitudinal baffle은 반조각이 되기 때문에 유체상태와 관계없이 대부분 Vertical cut로 설계되고 있다.
4) Full Support Plate
다른 형태와 달리 유동두(Floating head type)열교환기는 Floating head의 하중을 지지하기 위하여 Full support plate가 필요한데 이 Support plate는 Floating tubesheet내면에 100∼150mm안 쪽으로 Rear head end flange위에 위치시킨다. 그리고 이 plate는 원형이나 사각형으로 Hole을 뚫어 100∼150mm Tube길이가 사장되는 일이 없도록 한다.
4.2.4 Channel
TEMA Standard에서 Front end에서는 'A', 'B', 'C', 'N' 및 'D' Type이 있다. 이러한 Type은 유체의 성질 및 제작비용, 그리고 사용자의 편리성등에 깊은 관련이 있다. 먼저 'A' Type은 'B' Type보다 가격은 고가이지만 Shell과 Channel을 분리시킬 수 있고, 또 Channel cover만 제거할수도 있기 때문에 Tube side에 자주 청소가 요구되는 경우에 바람직하다.
'B' Type은 Bonnet type으로 Channel과 Cover가 일체형으로 되어있어 청소시 배관과 연결을 풀어야 하는 어려움이있다. 고압유체나 오염이 적은 유체에 적합하다.
'C' Type은 Bundle과 Channel이 일체형으로 되어있어 유체의 누수를 최소로 줄이기 위하여 Gasket을 사용하지 않고 전 용접구조로 한 경우이며, 주로 고압용이나 독극물을 취급하는 경우 사용된다.
'N' Type은 Shell과 Channel이 일체형으로 되어있어 Shell side를 청소할 수 없으나 제작비는 가장 적게 든다.
'D' Type은 고압의 열교환기에 사용하는 것으로서 Flange연결이 아니고 용접연결을 하고 있다. Passpartition plate가 다른 일반 형태와 다른 것은 고온에대한 열변형을 방지하기 위함이다.
4.2.5 기타
1) Pass partition Plate
Channel내부에서 Tube pass수에 따라 Channel side유체를 유도해주는 Plate이다. Channel side유체의 온도차가 큰 경우에는 Tube sheet와 Flange가 고온과 저온의 영향을 동시에 받아 열응력을 받게된다. 열응력이 커지면 누수의 원인이 되기 때문에 온도차가 클 경우는 Channel type선정에 주의가 필요하다. 그리고 Pass partition plate가 비압력부분으로 취급하여 왔으나 열교환기가 대형화되므로서 차압에 의한 영향이 커지기 때문에 강도계산이 요구되고 있다.
2) Impingement Baffle
Shell side로 유입되는 유체가 Tube에 직접 충돌하는 것을 피하고 Tube에 급격한 부식 및 마모 그리고 진동을 방지하기 위하여 설치되는 Baffle로 Plate형태와 Rod형태가 널리 사용되고 있다.
설치기준은 단일상으로 부식성, 침식성이 없는 유체는
rho V^2
이 1500(
lb/ft" " s^2
)혹은 2250(
kg/m " "s^2
)이상인 경우와 그외에 유체는
rho V^2
이 500(
lb/ft" " s^2
)혹은 740(
kg/m" " s^2
)이상인 액체의 경우 또는
rho V^2
에 관계없이 기체인 경우 설치한다.
3) Tube Sheet
Tube Sheet(관판)는 Tube를 견고하게 그리고 일정한 배열이 유지되도록 지지하며 또, Shell side유체와 Tube side유체간에 혼합되는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 이러한 Tube sheet는 고정형(Fixed tubesheet)과 유동두형(Floating tubesheet)이 있다. 고정형은 Fixed type, U-type, Floating type에 사용되며, 유동두형은 Floating type에만 사용된다.
4) Seal Strips & Seal Pipe
열교환기를 제작하고, Bundle을 분리하는데 있어 설계자가 요구하지 않는 곳에 간극(Clearance)이 생기기 마련이다. 여기서는 주로 Tube Bundle과 Shell사이의 유로 즉 'C' Stream의 방지를 위하여 Flat bar등으로 양쪽 유로를 막아주는데 이를 Seal Strips이라 부른다. Seal Strips은 최외각 Tube와 Shell의 간극이 Tube pitch의 ½을 초과시 설치한다고 하나 원칙적으로는 기본 설계시 Strips수에 의한 영향이 전부 반영되기 때문에 기본설계의 결과에 따라 설치한다. 특히 기본설계 결과에서 아무런 요청이 없는 곳에 임의로 Seal Strips를 설치하면 오히려 전열효과가 감소하거나 압력손실이 증대될수도 있으므로 삼간다.
그리고 Seal strips은 항상 Pairs(2개)로 설치가 되며, 비효과적인 유체의 유동을 방해하는 것이므로 적합한 위치에 설치 하여야지 전혀 관계 없는곳에 무조건 설치 해서도 안된다. 즉, Central spacing에서 Baffle은 Vertical cut일때 유체가 좌우로 흐르므로 Seal strips은 상부와 하부에 설치되어야 한다. 이때 입축구의 Baffle간격에서는 Strips을 설치하지 않는다. 그리고 순수응축하는 Condenser나 Reboiler에서도 Seal strips은 전열에 거의 영향을 주지 못하므로 설치하지 않는다.
Dummy pipe는 Passpartition lane에 Bypass흐름이 형성 ('F' Stream)되는데 이 Stream양을 줄여주기 위하여 Pipe나 Flate bar가 사용된다. 특히 U-Tube의 경우는 최소의 Bending 직경 때문에 Dummy pipe를 자주 사용하게 된다.
5) Tie Rod & Spacer
Tube가 다발로 묶여진 Bundle의 유지를 위하여 Tie rod가 필요하고, 또 Tube의 일정한 간격과 Shell side의 열전달을 촉진 시키기 위한 Baffle의 간격을 유지하는데 Spacer가 요구된다. Tie rod는 Tube sheet에 Tap을 내고 Baffle에 구멍을 뚫어 Rod를 끼운다. 또, Baffle과 Baffle사이에는 Rod외부에 Rod보다 큰 Pipe(Spacer)를 끼워 유체의 유동에 대한 Baffle간격을 유지시켜준다. Tube sheet반대편의 마지막 Baffle뒤에는 Tie rod에 Double nut로 고정한다.
6) Sliding Bar
열교환기를 조립하거나 청소하기 위하여 Bundle을 분리하는 경우가 일년에 1∼2회 있게 된다. 그러나, Bundle이 너무 무겁거나 크면 작업하기가 어려워 진다. 그래서 일부 공장에서는 자체 보유하고 있는 크래인의 최대용량에 맞추어 Bundle의 직경과 중량을 제한하기도 한다.
그 외에도 Bundle의 중량이 크면 분리하기에 어려움이 있다. 그래서 Sliding Bar를 설치해 주도록 요청하고 있다. API 660의 규정에 의하면 20,000 lb(9080kg)이상인 Bundle에는 반드시 설치하도록 규정하고 있다. 그러나 Kettle형 열교환기는 Bundle이 작고 중량이 작아도 Shell 직경이 크기 때문에 고정시켜 줄 필요가 있어 Sliding bar를 설치하고 또 Bundle을 Band로 묶어 비등되는 기포에 의한 유동을 막아준다. Sliding bar는 Bundle에 보통 20∼30°각도로 19∼25mm Round bar나 Flat bar를 사용하여 축방향으로 설치한다.
7) Vent & Drain
모든 열교환기는 어떤 다른 방법으로 Vent와 Drain이 되지 않으면 Shell side와 Tube side에 각각 가장 높은 위치와 가장 낮은 위치에 최소 ¾"의 Vent 와 Drain을 설치하여야 한다. 통상 설치는 Drain과 Vent를 위하여 경사구배를 1/200정도준다.
8) Pressure Gauge 연결구
'R' Class에서는 2" Flanged Nozzle이나 그 이상의 Nozzle에 최소 ¾"압력계용 연결구를 설치하여야 한다. 'C' Class에서는 구매자의 요구에 따라 취부하며 'B' Class에서는 'R' Class와 같은 조건일 때 최소 ½" 연결구를 설치한다. 그러나 열교환기의 인접 Pipe line에 압력계가 부착되어 있다면 생략할 수도 있다.
9) Expansion Joint
Expansion Joint는 Fixed Tubesheet Type Heat Exchanger에서 Shell또는 Tube의 길이방향 응력이 허용응력을 넘는 경우 Shell에 설치해서 응력을 완화하기 위해 사용한다. Expansion Joint의 설치여부는 Normal Operation, Start-up, Shut-down등 모든 조건에서 검토한다. 이를 위해서는 Process상의 운전조건에 대한 정확한 예상이 아주 중요하다. 운전시 검토되지 않은 운전조건이 발생될 경우 사고가 일어날 수 있기 때문이다. Shell 재질이 탄소강, Tube재질이 Stainless Steel인 경우에는 두 재질의 선팽창계수가 크게 다르므로 특히 주의해야 할 필요가 있다. 횡형의 경우는 가능한 한 Expansion Joint를 사용하지 않는 편이 바람직하지만 사용해야 할 경우에는 Expansion Joint 부의 Drain, Vent를 고려해야 한다.
10) Inlet and Outlet Nozzle Spacing
Nozzle Size Factor
alpha
|
Nozzle Size (in.) |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
24 |
|
alpha (mm) |
120 |
155 |
195 |
250 |
325 |
395 |
470 |
525 |
605 |
680 |
765 |
910 |
11) 유동두형 열교환기 튜브의 유효길이
열교환기 이론
유체유동
1) 수평유동에서는 중력이 반경방향으로 작용하므로 유동이 중심축에 대하여 반대칭 형태를 가지며 상대적으로 밀도가 큰 액체는 아래쪽으로 쳐져 흐르는 경향이 있다. 그리고 과열상태로 흘러들어온 증기는 Tube 입구에서 전단력에의해서 유동형태가 지배된다. 그러므로 전단력의 지배를 받는 유동형태는 분무류(Mist. Flow), 환상류(Annular Flow), 기포류(Bubble Flow)가 있고 중력의 지배를 받는 유동형태는 파형류(Wavy Flow), 성층류(Strarified), 플러그류(Plug Flow), 슬러그류(Slug Flow), Semi-Annular Flow가 있다.
가) 분무류(Mist Flow)
안개류라고도 하며 대부분이 과열의 증기가 유입될때 이러한 양상을 관찰할 수 있다. 열전달 관점에서는 제일 나쁜 유동이다.
나) 환상류(Annular Flow)
환상류에서는 빠른 속도의 기체가 Tube중심 부분을 흐르고, Tube벽에서 응축되어 상대적으로 느린 액체는 Tube벽을 따라서 액막의 형태를 가지고 같은 방향으로 흐른다. 기체의 속도가 아주 빠르게 되면 액막으로부터 액체 일부가 이탈하여 액적의 상태로 기체 유동에 유입되는 환상 분무류(Annular-Mist Flow)가 나타나게 된다.
다) 기포류(Bubble Flow)
이 유동은 연속적인 액체상에 작은 기포가 분산된 형태이다. 부력의 영향에 의해서 기포들은 수평관 상부에 더 많이 분포한 상태로 흐르게 되는데, 액체의 유량이 증가할수록 Tube 단면 전체에 균일하게 분포하는 경향을 보인다.
라) 파형류(Wavy Flow)
이 유동은 성층류에서 기체속도의 증가에 따라서 액체와의 상대 속도가 커지게 되면 경계면이 교란을 받아서 표면파(Surface Wave)가 발생하는 유동이며, 이 표면파는 유동방향으로 흐르게 된다.
마) 성층류(Stratified Flow)
이 유동은 기체와 액체가 모두 느린 속도로 수평관 내를 유동할 때 나타나며, 특히 기체와 액체 간의 상대속도가 작기 때문에 두 유체의 경계면은 부드러운(Smooth)형태를 가진다.
사) 슬러그류(Slug Flow)
이 유동은 외형상 플러그류와 유사하나 빠른 속도의 기체에 의해서 발생한다는 점에서 그 특성이 다르다. 파형류에서 기체의 속도가 증가하면 경계면 파동의 진폭이 커지면서, 기포가 섞인 파기 Tube상부를 간헐적으로 접촉하면서 빠른 속도로 하류로 흐른다. 액체 슬러그가 접촉하고 난 뒤의 Tube상부에는 액체가 액막의 형태로 얼마간 남아있게 되며, 이 상태에서 기체의 속도가 조금 더 빨라지게 되면 파형 환상류가 나타나고, 궁극적으로 환상유동으로 천이하게 된다.
아) 플러그류(Plug Flow)
플러그류는 수직유동의 슬러그류(또는 플러그류)와 유사하다. 기포류가 느려지게 되면 기포들간의 합착에 의해서 긴 형태의 플러그 기포가 형성되며, 이 기포는 Tube 상부를 따라서 흐르게 된다.
2) 비등시 수평관에의 유동
수평유동의 경우에도 Tube외부에서 열이 가해지게 되면 유동양식이 유동방향에 따라서 변해가게 된다. 그림 b를 보면 과냉상태의 액체가 흘러 들어와서 기포류-슬러그류-파형류-환상류-액적류의 과정을 거쳐서 결국 과열 증기상태로 흘러들어가게 된다. 그림b.의 유동양식 변화과정은 질량유속과 열유속이 낮은 상태에서 나타나는 현상으로 질량유속과 열유속이 증가하면 유동양식의 변화과정도 달라지게 된다.
3) 응축시 수평관내의 유동
수평응축관내에서 유동양식의 천이과정은 그림c.와 같다. 이 그림에서 보면 주위 Tube벽에 의한 냉각이 어느정도 빨리 이루어 지는가에 따라서 유동형태가 다르게 나타난다. 주위 벽면에 의한 냉각이 급속히 이루어지는 경우(즉 높은 열유속의 경우)에는 과열상태로 흘러들어온 증기는 응축되면서 환상 분무류-환상류-슬러그류-플러그류의 상태를 거쳐서 과냉상태의 액체로 되어 흘러가게 된다. 이 경우는 Tube입구에서 증기의 유동에 따른 전단력에 의해서 유동형태가 지배되고, 하류로 내려 갈수록 유체가 Tube단면을 채워가면서 액체유동에 따른 전단력이 유동양식 변화의 주된 지배요인이 된다. 반면에 낮은 열유속에서는 과열상태로 흘러 들어온 증기는 환상 분무류 및 환상류를 거친후에 파형류와 성층류의 유동양식을 보여주면서 출입구를 통해서 포화증기와 함께 빠져나간다. 이 경우에는 Tube출구로 갈수록 중력에 의한 유동형태의 변화가 지배적이다.
4) 수직관내에서의 유체흐름
수직유동에는 중력의 작용방향과 같거나 정반대이므로 유동의 형태가 축대칭이다. 수직유동의 양식은 기본적으로 기포류(Bubble Flow), 슬러그류(Slug Flow), 천류(Churn Flow), 환상류(Annular Flow), 그리고 액적류(Drop Flow)등이 있다. 이러한 각 유동양식의 경계는 확연히 구분되는 것이 아니며, 한 유동양식에서 다른 유동양식으로 변천해갈때는 2개의 유동양식이 섞여서 나타난다. 각 유동양식의 특징들을 살펴보면 다음과 같다.
가) 기포류(Bubble Flow)
이 유동양식에는 기체상(Gas Phase)이 분산된 작은 기포들의 형태로 연속적인 액체상(Liquid Phase)내에 축대칭의 형태로 분포한다. 이때 기포의 크기는 Tube직경에 비하여 대단히 작으며, 유동의 형태는 Tube벽의 직접적인 영향을 받지 않는다. 그러나 Tube벽면과 항상 접촉하고 있는 액체상의 유동에 의하여 기포의 유동이 영향을 받으므로 Tube벽면의 영향을 간접적으로 받게되며 유동조건에 따라서 단면에 따른 분포상태가 변하게 된다. 이 유동양식은 기공율(Void fraction, 2상 유체의 단위체적당 기체가 차지하는 체적의 비)이 0.3 이하에서 주로 나타나나 적절한 첨가제(Additive surfactant)를 섞어 주면 훨씬 높은 기공율(거의 1에 가까운 값)에서도 기포류가 가능하다. 작은 기포의 형태는 대체로 구형을 이루나 기포의 양이 많을 경우 기포간의 충돌 및 합착에 의하여 더 큰 기포가 형성되면 큰 기포들의 주위유동에 의해서 변형되어 타원형이나 캡 형태를 보이기도 한다.
나) 슬러그류(Slug Flow)
슬러그류에서는 Tube직경과 거의 같은 직경을 가지는 테이러 기포(Taylor Bubble)가 상향으로 흐르며 이 기포와 Tube벽 사이에서는 액체가 얇은 막(Film)의 형태로 하향 유동한다. 이 유동을 Whalley(1987)등은 프러그류(Plug Flow)라고 부른다. 이 기포의 길이는 Tube직경 정도로부터 직경의 100여배에 이르기 까지 유동조건에 따라서 다르게 나타나며 각 테일러 기포 사이에는 작은 기포들이 섞인 액체 슬러그가 존재한다. 이 유동은 대체로 작은 질량유속(Mass Flux)을 가진 2상 유동에서 작은 기포들 간의 합착에 의해서 형성되는 경우가 많다.
다) 천류(Churn Flow)
천류는 슬러그류와 어느정도 유사하나 앞 부분이 둥근 탄환형태의 슬러그 기포와는 달리 기포의 형태가 많이 변형되어 불규칙적인 형태를 이루며 기포와 기소사이의 액체 슬러그가 과다한 양의 기체유동에 의해 일시적으로 파괴되었다가 다시 복원되는둥 유동 전체가 진동(Oscillation)을 한다. 따라서 액체도 계속 상하로 진동하며 흐르게 된다.
라) 환상류(Annular Flow)
환상류란 액체가 Tube벽을 따라서 액막의 형태로 흐르고 기체는 Tube중심 부분을 따라서 흐르는 유동을 말한다. 이 유동은 기체의 흐름이 클 때 나타나는 것이 보통이며 유속이 느린 액막과의 큰 상대속도에 의해서 액막의 형태가 파형을 이루거나 액막으로부터 액체가 작은 액적들의 형태로 떨어져 나와 기체유동에 유입(Entrainment)되는 경우가 많다. 작은 액적(또는 분무)등이 관 중심부분의 기체와 함께 유동하는 환상류를 특히 환상 분무류(Annular-Mist Flow)라고 한다.
4) 수직상승 비등(Vertical Upflow Boiling)
수직 2상 유동에서 응축은 하향유동(Down flow)으로, 비등은 상향유동(UP flow)으로 이루어지는 것이 가장 효과적이다. 열전달이 수반되지 않는 유동의 경우, 좀더 정확히는 2성분 유동(Two component flow)에는 Tube내부를 따라서 하류로 흘러가도 대체로 유동양식이 그대로 유지되는 것이 보통이다. (물론 엄밀히 말해서는 기체 및 액체의 재배치에 의해 유동양식은 항상 바뀐다.) 열전달이 수반되는 증기유동( Evaporat- ive flow)이나 응축유동(Condensing flow)의 경우에는 유동방향에 따라서 유동양식이 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 그림 e. 에서는 수직 가열관내의 전형적인 2상 유동양식을 보여주고 있다. 균일 열유속을 받는 관의 하부를 통해서 유체가 흘러들어오게 되면 Tube벽으로부터의 대류 열전달에 의하여 액체의 온도는 점차 상승하게되고 비등점가까이에 이르면 벽면에서부터 기포의 생성이 시작되어 기포류가 형성된다. 유체가 계속 가열되면 기포의 양은 점점 증가하고 기포간의 합착에 의해서 슬러그 기포가 형성되어 슬러그류로 천이한다. 계속되는 기체량의 증가에 따라 기체의 속도는 점점 빨라지고 슬러그류의 액체 슬러그가 파괴되면서 점차 환상류의 형태를 띄게 된다. 환상류에서는 벽면과 접촉하는 액막이 얇아서 열저항이 작기 때문에 기포 생성에 필요한 벽면 과열(Wall superheat)상태가 이루어지지 않으므로 열은 액막을 통해서 대류 및 전도 현상에 의해 전달되며 액막과 Tube중심부의 기체와의 경계면에서는 지속적인 증발이 나타난다. 이때에도 지속적인 증발로 인하여 기체의 속도는 증가하며 이에 따라 액적이 액막으로부터 Tube중심부의 기체로 유입되어 분무 환상류의 형태를 띄었다가 결국 벽면에 접한 액막이 완전히 증발하고 Tube중심부의 액적이 증기와 함께 흐르는 액적류 형태가 된다. 이 액적들은 하류로 흘러 가면서 증발하게 되고 종국적으로 단상기체(증기) 유동(Single phase vapor flow)이 된다.
5) 수직하향류의 응축
수직하향유동의 응축에서 유동양식(Flow pattern)은 항상 Annular가 된다. 그러나 비응축 가스가 없는 순수성분의 경우는 주로 Slug pattern이며 액체의 양이 많은 경우 액체로 꽉찬 형태도 될 수 있다. 그림 f. 는 이러한 두 형태를 보여주고 있다. 열전달의 차이는 중력의 지배를 받는가, 전단력의 지배를 받는가, 그리고 액체가 층류인가 난류인가등은 유동형태의 지표(Cgt)와 액체의 Reynold수에 의해 결정한다.
4.4.2 비등(Boiling)
1) 정의
고체-액체계면에서 증발이 일어날 때 이를 비등이라 한다. 비등은 여러 가지 조건하에서 일어날 수 있다. 예를들면 풀비등(Pool boiling)에서는 액체는 정지해 있고 표면 근처에서의 유체의 운동은 자유대류 그리고 기포의 성장과 이탈에 의한 혼합에 기인한다. 반면, 강제대류비등(Forced-convection boiling)에서는 유체유동은 자유대류와 기포에 의하여 유도된 혼합뿐만 아니라 외적인 수단에 의하여도 유발된다. 비등은 또한 그것이 과냉(Subcooled)상태인가 또는 포화(Saturated)상태인가에 따라 분류되기도 한다. 과냉비등에서는 액체의 온도가 포화온도보다 낮으며, 표면에서 형성된 기포는 액체속에서 응축될 수 있다. 반면, 포화비등(Saturated boiling)에서는 액체온도가 포화온도보다 약간 높다. 고체표면에서 형성된 기포들은 부력에 의하여 액체를 통해 움직이고, 궁극적으로 자유표면(Free surface)으로부터 빠져나간다.
풀보일링(Pool Boiling) : 정체된 유체의 비등 현상으로 케틀타입의 리보일러에 응용 된다. Saturated, Subcooled Boiling으로 나눌 수 있다.
대류 보일링(Convection Boiling) : 유동하는 유체의 비등현상으로 써모사이폰 타입 의 리보일러에 응용된다.
Forced Covective, Free Convective Boiling
2) 풀비등(Pool boiling) 선도
열전달 계수와 온도차(벽 온도와 Bulk 유체의 온도차
Delta T_b
)를 연관한 일반적인 곡선의
형태에서 온도차 ( Delta T_b )는 비등을 합리적으로 잘 이해하는데 연관된 몇 개의 지표중에 하나이다. 그림 g는 현재 잘 알려진 Nukiyama의 실험에 의해 소개된 전형적인 비등 선도이다. 이 비등 선도의 형태는 System에서 열전달율을 논의하는데 기본이 되며 6개의 전열에 대한 주요 형태이고 유동형태는 Tube표면온도와 포화온도 차가 점점 커지는 것으로 설명될 수 있다. 다음은 온도차( Delta T_b )가 증가되면 다음의 현상들이 한 개의 Tube외부에서 관찰된다.
가) A - B 영역 : 자연대류 영역
어떤 Delta T_b 아래에서 Tube 표면에 유체는 핵을 만들만큼 충분히 과열되지 않아 기포가 생성되지 않으나 열은 순수한 자연대류로 전달된다. 이 영역에서 열전단 계수는 Delta T_b 의 ¼승에 비례한다.
나) B - C 영역 : 초기 비등 영역
이 영역은 약간의 기포가 발생되는 초기 비등 영역으로 전열은 단상의 자여대류와 핵 비등과의 합으로 이루어진다.
h_b = h_nc + h_nb
여기서
h_b " : 유효 비등 열전달 계수 " (Kcal / hr m^2 ℃)
다) C - D 영역 : 핵비등 영역이 영역의 열전달은 Delta T_b 의 함수로서 열전달에 가장 큰 영향을 주는 계수로, 발생되는 증기의 기포가 Tube 표면에서 떨어져 나가는 속도와 기포수등에 영향을 준다. 그 결과 핵비등의 열전달 계수(
h_nc
)는 1 보다 큰 지수승을 한
Delta T_b
에 비례한다.
라) D - E 영역 : 천이영역
저압이며 온도차(
Delta T_b
)가 22∼50℃일 경우 막비등이 시작된다. 온도차가 증가되면 열유속(Heat flux)도 증가하다가 최대점에서 감소하기 시작한다. 즉, 천이영역은 불안정한 핵비등과 불안정한 막비등으로 구성된다. 또
Delta T_b
가 증가하면 안정된 증기막이 상당기간 유지되므로 평균 열전달율은 감소한다.
마) E - F - G 영역 : 안정된 막비등 영역
어떤 온도차(
Delta T_b
)이상에서 액체는 Metal표면에 접촉되지 않는다. 즉, Tube는 핵 비등에서 보다 낮은 열전달 계수를 갖는 안정된 증기막으로 둘러 쌓여지기 때문이다. 열교환기는 때로 고정된 높은 온도의 유체로 인하여 막비등 영역에서 설계 하지만 가능하다면 열전달율이 좋은 핵비등 영역에서 설계되어야 한다.
바) 최대 열유속(Maximum heat flux)
핵비등의 상한 값인 최대 열유속 값이 비등장치의 설계에서 중요시 되지만 최대열유속은 물성치, 압력, 구조의 함수로 이루어 진다.
4.4.3 열교환기 Shell 측 Stream분석
Shell side로 유체가 지날 때 우리가 요구하는('B' Stream)유로로만 유체가 유동하는 것이 아니다. 유체의 유동을 유도하는 단면적이 좁으면 상대적으로 전열에 비효율적인 유로로 많이 흐르게 된다.
1947년 Tinker에 의해 Shell side의 성능을 좀더 정확하게 접근할 수 있는 이론이 제시되었다. 이 이론은 그림 a. 에서 정의한 5개의 Stream으로 분류하며 비효과적인 누수와 우회(Bypass), 그리고 효과가 있는 십자류(Cross flow)로 분리한다. 먼저 5개의 Stream을 정의하기 전에 각 Stream의 저항과 Sream간의 관계가 확립되어야 한다. 이러한 저항은 각 Stream에 대하여 아직까지 알려지지 않은 무변화의 함수라 할 수 있다.
'A' Stream : Tube와 Baffle간의 틈새로 유동하는 유체
'B' Stream : Tube와 Baffle을 횡단하여 유동하는 유체
'C' Stream : Tube와 Baffle과 Shell사이로 유동하는 유체
'E' Stream : Baffle 과 Shell간의 틈새로 유동하는 유체
'F' Stream : Tube Bundle중심부(Tube Passpartition혹은 U-Tube로 인하여 생긴 공간)로 유동하는 유체
가) 'B' Crossflow stream : 이 Stream은 연속적으로 Tube와 접촉하게 되며 Bundle사이로 통과한다. 압력손실도 크지만 열전달율도 크다. 이 Stream이 단위속도당 열전달에는 가장 효과적이다.
나) 'A' Tube-Baffle Leakage Stream : 이 Stream은 Bundle내에서 길이방향으로 유동한다. 주어진 속도에 대하여 직접 십자류로 흐르는 Stream만큼 효과적이지는 못하다. 그렇지만 항상 Tube와 접촉하며 흐르고 Tube와 Baffle간극에서 높은 유속을 내고 있기 때문에 Baffle-Shell누수나 우회류보다 효과적이다.
다) 'F' Pass Partition Flow Stream : 이 Stream은 Pass partition channel의 어느 한쪽과 접촉한다. 그러나 Channel폭은 전형적인 Tube간극보다는 넓어서 단위 속도당 열전달효과는 십자류보다 다소 떨어지나 거의 'A' Stream수준 과정이다.
라) 'C' Bypass Stream : Bypass stream의 효과는 Bypass간극과 Seal strip수와 깊은 관계를 가지고 있다. 매우 넓은 Bypass channel간극에서 Seal strip을 사용하여 강제로 Tube와 접촉할 수도 있다.
마) 'E' Crossflow steam : 이 Stream은 전열에 가장 비효과적이며, 대부분의 압력손실은 거의 전열효과를 얻지 못하는 압력손실이 된다. 이 Stream은 Shell에 밀접하게 흐르기 때문에 Tube와 접촉이 작다. 그래서 유일한 수단으로 난류화를 추진시켜 'C' Stream과 혼합하게 한다 그러나 난류인 경우는 전열효과는 거의 볼수가 없다.
4.4.4 진동
1) 열교환기에서 발생되는 진동과 역학적 파괴현상
일반적으로 열교환기에서 발생되는 진동은 다음과 같다. Shell side에서 유동에 의해 여기된 진동, Tube side 유동에 의해 여기된 진동, Shell side와 Tube side유량에 서의 요동(Osillation)또는 맥동(Pulsation), 외부적으로 발생된 진동의 전달이 있으나 Shell side 유동에 의해 발생된 진동이 가장크고, 열교환기를 파괴하는 주 요인이 된다. 큰 진폭과 함계 오랜시간 단속되는 Tube의 진동은 역학적 파괴를 일으켜서 결국 누출이 생기게 된다. 이러한 Tube의 역학적 파괴는 아래와 같이 몇가지 Mechanism에 의해 생긴다.
가) 충돌파괴 - 진동폭이 클 때 인접한 Tube간의 계속적인 충돌 또는 Shell과 Tube와의 충돌(Collision damage)로 Tube벽이 얇게 달아 궁극적으로 쪼개져서 Tube간 충돌이 있으면 한가운데 다이아몬드 형상이 나타난다.
나) Baffle에 의한 손상 - Baffle의 Tube hole은 Tube보다 1/64" ∼1/32"정도커서 Tube는 운동이 자류롭다. 그러므로 Baffle이 얇고 Tube재질보다 강한 재질일 때, 진동하는 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 형상 또는 Baffle의 손상
다) Fatigue - 응력이 크고 장시간 진동이 연속된다면 Tube의 반복되는 굽힘에 의해 재질성분이 변형되어 생기는 피로(Farigue)에 의한 Tube 손상 또는 Tube 마멸현상(Fretting)으로 부식과 Erosion을 촉진시킬 수도 있고 실제로 Tube를 부러지게 하여 조각을 내는 결과가 된다.
라) Tube joint - Tube와 Tube sheet 접합부에서 생기는 손상으로 진동은 확관된것을 벌어지게 하고 Tube sheet내에 Grooves가 끊어지게 한다.
2) Flow Induced Vibration현상
계에서 제시된 진동은 탄성 구조물과 함께 몇가지 여기력(Exiting Force)에 의한 우력(Coupling force)를 내포하고 있다. Flow Induced Vibration의 경우 여기력은 보통 Shell side유체의 유동으로부터 생기며 탄성계는 Tube Bundle이 된다. 이 여기력은 유량이 증가함에 따라 연속적으로 증가되는 특성 진동수(Charateristic frequency)에서 파동하나 Tube의 고유진동수라 부르는 특별한 응답 진동수 및 Tube진동 결과와 상응할 때 생긴다. 유동으로 여기된 Mechanism과 두 범주 즉, Tube에 평행한 평행유동에 의해 여기된 Mechanism과 Tube에 수직한 십자류(Cross flow)에 의해 여기된 Mechanism으로 다시 구분할 수 있다. 그러나 이들 평행유동은 진폭이 작던지, 속도가 크기 때문에 열교환기에서는 거의 문제가 되지 않는다. 그러나 십자류 유동은 일반적인 열교환기 Shell side속도에서 상당히 큰 진폭을 여기 시킬수 있다. 이 십자류 유동에 의해 관찰된 유동으로는 주기성을 가진 유동분리(Flow Separation)에 따라 생기는 Vortex shedding과 Random특성을 가진 난류와 결합된 Turbulent buffeting 및 Fluidelastic whirling가 있다.
가) 고유진동수
진동의 방지를 위하여 고유진동수는 높은 것이 좋다. 고유진동수는 다음과 같이 표현된다.
f_n = 0.04944 C_n sqrt { {E I g_c} over {W_a L^4} }
여기서,
f_n " : Straight tube의 고유진동수"(Hz)
C_n " : 무차원 진동상수"
E " : Modulus of Elasticity "(kg/m^2 )
I " : Sectional moment of interia "(m^4 ) " "=pi (D_0^4 -D_i^4 ) /64
L " : Tube span의 길이 "(m)
W_a " : 단위 길이당 유효하중 "(kg/m^2 ) " "=W_n + W_t + W_s
W_n " : 단위길이당 Tube 하중 "(kg/m)
W_t " : 단위길이당 Tube 내부의 유체 하중 "(kg/m)
W_s " : 단위길이당 Tube에 의해 대체된 Shell side유체의 하중 "
= k rho ( pi / 4 ) D_0^2" "(kg/m)
나) Vortex Shedding (V.S)
Tube를 가로질러 흐르는 십자류 유동은 위의 그림에서와 같이 Tube의 양쪽 경계면으로부터 교대로 유동이 분리될 때 형성되는 하류(Down stream)Wake의해 일련의 Vortex를 형성한다. 이 반복되는 V.S는 유동속도가 증가함에 따라 더욱 빈번히 발생하여 반복적인 힘을 발생시킨다. 이V.S는 본질상 유체의 Mechanism으로써 Tube의 움직임에는 무관하고 주어진 Tube배열과 크기에 대해서만 변하면, 속도가 증가함에 따라 V.S진동수는 증가한다. V.S진동수는 Tube의 고유진동수 및 진동결과와 일치할 때 여기진동수일 수 있으며, Tube사이의 유동면적은 Tube의 움직임에 따라 진동수와 일치하며 맥동 또는 수축되고, 이것이 교대로 V.S진동수를 조절하는 유동속도를 바뀌게 한다. Tube는 오직 특별한 진동수에만 진동하기 때문에 V.S진동수는 고유진동수와 함계 Lock in 될 수 있다.
다) Turbulent Buffeting(T.B)
Turbulent Buffeting은 극단적인 Shell side 난류유동에 기인해 작용하는 맥동(Fluctuating force)이 Tube를 타격하는 현상으로 십자류 속도가 증가함에 따라 증가하는 중심 지배적 진동수(Central dominant frequency)주위에 넓게 포함된 진동수 Spectrum을가진다. 진동수 Spectrum이 나타났을 때 Tube는 그들의 고유 진동수 혹은 가까이에서 선택적으로 에너지가 추출된다고 알려져 있다. 그래서 T.B에서 지배적인 진동수가 고유 진동수와 일치되었을 때 에너지의 전달이 상당한 진폭을 유도할 수 있다.
라) Fluidelastic Whirling(F.W)
Fluidelastic whirling은 궤도운동(Orbital movement)을 하며 진동하는 Tube에 의해 입증된 현상을 기술하는 것으로, 고유 진동수에서 Tube 들이 장력과 항력 단변위(Lift and drag displacement)의 조합을 일으키는 십자류 유동에 의해 생성된다. 전형적으로 일단 F.W가 생기면, 이것은 Tube에 공급된 에너지가 감리(Damping)에 의해 소산(Dissipartion)될수 있는 에너지를 초과하는 경우 궤도를 이탈하게 된다. 이러한 F.W가 생길 수 있는 임계 십자류 유동속도를 예측하는 방법은 Tube의 고유 진동수, Tube의 layout 및 계의 감리특성에 의존한다.
지금까지, 간략하게 언급한 V.S, T.B 및 F.W는 각기 독립적으로 존재하지 않고 서로 결합되어 유동력을 증폭 또는 감폭할 것으로 예측되고 있으나 아직 명확히 알려져 있지 않다.
3) 진동방지 설계
열교환기에서 진동예측을 위한 다음과 같은 설계지침이 제시되어 있다. 먼저 액체에 대해 Reynolds수는 아마도 300∼50,000구간에 있다. 이때는 V.S Mechanism이 가장 지배적일 것으로 가정하는 것이 합당하다. 만약 속도두가 높다면 (
P_s V_c^2 / 9266 > 0.5 kg/cm^2
), 유동방향의 힘이 Tube를 손상시키기에 충분할 것이다. 이런 조건하에서 설계는 십자류 V.S Mechnism를 적용해야 한다.
액체나 기체에 대해서 만약 Reynolds수가 300,000이하일때는 액체에서와 똑같은 지침을 따라야 한다. 그러나 Reynolds수가 300,000보다 더 크면 설계는 F.W Mechanism을 적용해야 한다. 만약 Pitch율이 1.5보다 크면, T.B Mechanism을 설계에 적용시켜야 한다.
위에서 제시한 설계지침은 여러 문헌과 경험으로부터 얻어진 정보에 기반을 두었으나 어떠한 보증도 될 수는 없다. 또한 진동이 일어난다고 해서 Tube에 손상이 항상 생긴다고 할 수는 없다. 많은 열교환기들이 진동을 일으키나 Tube의 파괴는 일으키지 않는다. Tube의 손상은 피로, Tube와 Tube간의 충돌 및 Baffle에 의한 절단으로부터 생긴다고 알려져 있다.
4) 진동이 예상되는 열교환기의 설계시방
진동분석결과 진동이 예상되면 설계요소는 진동관점에서 제고될 수 있다. 보통 Shell side에 기체가 흐르고 낮은 허용압력을 가진 거대한 열교환기에서 진동문제가 크게 예상된다. 이와 같이 진동이 예상되는 열교환기를 설계할 때 다음과 같은 설계
시방이 추천된다.
가) 유동형태를 예측할 수 있도록 Shell side를 설계한다. 35%보다 크던지, 15%보다 작은 Baffle Cut는 두 조건 모두 좋지 않은 속도분포를 제공하므로 피한다.
나) Pass lane을 통과하는 Bypass는 물론 Tube들과 Shell사이에 어떤 Bypass유동로도 차단한다. 즉, 이들 구역에서 높은 국부속도가 생겨 국소손상을 야기시킬 수 있다. 때때로 평행유동 Baffle들 (Window Baffle과 Triple Segmental Baffle로도 불리워짐)을 사용하는 것이 가능하다. 이것은 Tube에 근본적으로 평행한 유동을 제공하며, 속도는 더 낮아지고 낮은 십자류 유동 속도성분은 낮은V.S진동수를 만들 것이다.
다) 다만 문제되는 속도가 입구 또는 출구 Nozzle근처에 있을 경우에 이 속도가 하류쪽의 더 유연한 Span에 손상을 입힐 수 있는가 하는 의문이 생긴다. 그러나 이 국소구역에 대한 진동기준을 맞추기 위해 전체 설계를 변형하는 것은 비용이 많이 든다. 이러한 경우 아래 셋방법 중 하나로 좋은 결과가 얻어진다.
- Nozzle속도 감속장치(Velocity Reducing Device)를 설치한다. Impingement Plate와 함께 설치된 표준 Pipe Reducer라면 충분하나 더욱 심한 경우에는 분포 Belt(Distribute Belts)가 요구된다.
- Nozzle밑에 직접 Tube를 지지하는 Baffle을 설치한다. 이것은 Nozzle 에 여기력을놓고 다른 Span에서 발생할 수 있는 진동진폭을 상당히 절감시킨다.
- Tube를 Nozzle근처에 있는 첫 번째 Baffle에 압연시킨다. 이러한 압연은부분적 으로 Tube의 나머지 부분으로부터 여기력을 고립시키고 진동진폭을 작게한다.
위에서 언급한 3가지 설계시방중 Nozzle속도 감속장치가 가장 바람직하다.
라) Shell side유체의 속도가 높을때는 Pitch를 증가시키던지 TEMA의 'X', 'J'Shell을 사용함으로서 속도를 줄일 수 있다. 이것은 압력손실의 제한으로 설계에 문제가 될 때 바람직하나, 더 큰 Shell의 직경이 요구될 수 있다.
마) 음향진동이 문제가 될 때는 특성길이(Shell의 직경)를 줄이기 위하여 Detuning baffle을 사용하면 쉽게 해결할 수도 있다.
바) 매우 두꺼운 Baffle은 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 것을 줄이고 계(System)의 Damping을 증가시킨다. 그러나 Baffle hole이 매우 밀착된 공차로 정밀 가공되지 않으면 고유 진동수는 Baffle hole이 두꺼워 져도 증가하지 않는다. 이러한 기게이 가공은 비용이 많이 들고 정밀 가공된 hole은 결합을 어렵게 만든다.
사) Tube의 고유 진동수가 낮을 때 고유 진동수를 증가시키는 가장 효과적인 방법은 가장 Unsupported span길이를 줄이는 것이다. Span길이를 80%로 줄일 때 고유 진동수는 50%이상 증가한다. 또한 Tube의 고유 진동수는 Tube의 운동을 방지하기 위하여 Tube사이에 쐐기로 고정시킨다던가, Tube들을 묶음으로써 증가 될 수 있다. 이 방법은 U-Tube bend구역에서의 진동을 제어하는데 특히 유용하다. 이상의 설계시방에 추가하여 진동의 손상에 가장 잘 견딜 수 있는 열교환기의 설계는 Baffle Cut부에 Tube가없는 Segmental baffle형태로 이러한 설계는 두가지의 잇점이 있다. 첫째는 가장 문제가 되는 Tube들(즉, 하나씩 건너 뛰어서 Baffle에 지지되는 Tube들)이 제거되고, 둘째는 중간지지대가 Segmental baffle사이에 놓일 수 있다. 따라서 설계자는 여기 진동수 보다 높게 고유 진동수를 증가시키기 위해 필요한 만큼 이들 지지대를 설치해야 한다. 또한 이 설계화 함께 입구에서 Nozzle속도 감속장치가 필요하다.
인버터란 무엇입니까 ?
3상교류의 전압과 주파수를 가변하여 3상 유도 전동기의 속도를 제어하는 장치를 말합니다.
2. 센서리스 벡터 인버터란 무엇입니까?
모터에서 회전력 (토오크)를 발휘하는데는 자속과 전류가 직각으로 쇄교하여 힘이 발생합니다만, 유도전동기의 경우 그 유도현상을 일으키는 구조상 자속과 전류가 직각으로 쇄교하게 기계적으로 구성할수가 없습니다. 이에 전기적으로 자속을 일으키는 전류와 토오크를 일으키는 전류가 직각이 되게 인버터에서 공급하는 전류를 위상제어합니다.
간단히 말해 이 위상을 별도의 센서없이 자속과 토오크 성분을 제어 하는 방식이
센서리스 벡터제어 방식 입니다.
장점으로는 토오크/전류비가 크게 됩니다. 낮은 전류로도 V/F 제어 방식에 비해
큰 토오크를 발휘합니다.
3. 벡터 인버터란 무엇입니까?
모터를 구동시 자속 성분과 토오크 성분을 속도센서를 사용해 제어하는 방식의 인버터를 말합니다. 벡터 인버터는 고응답, 고정도, 고신뢰성을 요구하는 servo 급 system 에
적용하게 되며, 벡터 제어 전용모터를 사용하게 됩니다.
벡터 제어 전용모터는 온도 변화에 따른 motor 특성 보상 및 feed back loop control
55Hz의 속도 응답을 갖추고 있습니다.
4. V.V.V.F와 인버터는 다릅니까?
V.V.V.F는 Variable Voltage Variable Frequency의 약칭이며, 주파수를 변환하는
동시에 전압도 비례해서 변화시키는 가변 주파수 인버터 방식을 말하며 일반적으로
인버터와 같은 뜻으로 사용됩니다.
5. 인버터는 여러가지 기종이 있는데 각각 어떻게 구분하고, 어떻게 다릅니까?
크게 세종류로 나눌수 있는데 범용 인버터,센서리스 벡터 인버터,벡터 인버터입니다.
범용 인버터는 3가지 기종이 있는데 기능상 약간의 차이가 있지만 주로 용량별로
구분할 수 있습니다.
6. 인버터의 내부구조는 어떻게 되어있습니까?
PWM방식의 전압형 인버터인데 크게 콘버터부, 평활회로부, 인버터부, 제어
회로부로 나누어집니다. 콘버터부는 3상의 상용 교류전압을 직류전압을로 정류를 하는
곳이고 평활회로부는 이 직류전압을 안정되게 평활하고 인버터부는 이 직류전압을 고속 스위칭해 펄스형태의 교류전압으로 만드는 곳입니다. 제어회로부는 이 모든 POWER부를 제어하는 PCB를 말합니다.
콘버터부에는 다이오드가 평활회로부에는 콘덴서가 인버터부에는 iGBT가 사용됩니다.
동작원리 및 특성
1. PWM과 PAM제어의 차이는 무엇입니까?
PWM이란 Pulse Width Modulation (펄스폭 변조)의 약칭으로 평활된 직류전압의 크기는 변화시키지 않고 펄스상의 전압의 출력시간을 변화시켜 등가인 전압을 변화시킵니다.
모터에 흐르는 전류가 정현파에 가까워지도록 출력 펄스의 폭을 차례로 변환시키는 방식을 정현파 PWM이라 부르고, 저주파 영역의 모터 토크리플이 작으므로 최근에는 이 방식이 주류로 되어가고 있습니다.
PAM은 Pulse Amplitude Modulation (펄스 높이 변조)의 약칭으로 교류를 직류로 변환할 때의 직류 크기를 변환시켜 출력합니다. 그래서 PWM에 비해 고조파 성분이 적고 모터의 운전음이 작아지는 특징이 있습니다.
2. 전압형과 전류형의 차이는 무엇입니까?
전압형 인버터는 상용전원을 콘버터로 직류로 변환한 후 콘덴서에서 평활된 전압을
인버터부에서 소정의 주파수의 교류출력으로 변환합니다. 즉, 전압형 인버터는 전압의
주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식입니다.
전류형 인버터는 콘덴서 대신에 코일(리액터)이 있습니다. 콘버터에서 직류로 변환한뒤 전류를 리액터로 평활해서 인버터에서 교류출력합니다. 즉, 전류형 인버터는 전류의 주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식입니다. 범용 인버터는 전압형이 채용 되어지고 있습니다.
3. 정격이 60Hz인 표준모터를 60Hz이상에서 운전할 수 있습니까? 그리고, 토오크는 어떻게 됩니까?
정격이상의 주파수(50, 60Hz)로 운전할 때는 전압은 일정한 상태에서 주파수 제어가
되므로 출력일정(정출력)특성으로 됩니다. 그러나 토크는 거의 2승에 비례해 감소하게
됩니다. 고속으로 토크가 필요한 경우에는 모터와 인버터의 용량선정에 주의가 필요합니다.
4. 인버터가 전압과 주파수(V/F비)를 비례적으로 변환해서 출력하는 이유는 무엇입니까?
모터는 철심에 코일을 감아 자속을 만들고 그 자속과 회전자에 흐르는 전류와의 전자력에 의해 회전합니다. 정격 주파수 이하에서 전압이 일정한 채 주파수만을 낮추면 자속이 과대해 지고 자기 회로가 포화해서 모터를 손상시킵니다. 이 때문에 주파수와 전압을 비례적으로 변환하는 것입니다. (V/F일정 제어)
5. 상용전원에서 전압이 내려가면 전류가 증가하지만 인버터의 경우 주파수를 내리면
전압도 내려가는데 왜 모터의 전류가 증가하지 않습니까?
주파수를 내려 모터의 속도를 낮추어도 같은 출력을 내면 전류는 증가하지만 토크 일정 조건하에서는 대부분 일정한 전류가 흐릅니다.
6. 전압과 주파수를 비례적으로 변환하는 경우 모터의 토오크는 어떻게 됩니까?
주파수를 내릴 때 완전히 비례로 전압을 내리면 직류 저항분은 작아져도 직류 저항분은 변화하지 않으므로 저속에서는 토크가 작아지는 경향이 있습니다. 그래서 낮은 주파수 에서는 출력전압을 약간 높게 V/F를 설정해서 기동토크가 높아지도록 하고 있습니다.
이 방법을 토크 부스트 기능이라고 합니다.
7. 일반적으로 인버터로 모터를 운전할 때 3Hz 이상에서 사용하는데 3Hz이하는 출력이 되지 않는 것입니까?
최저 사용주파수와 기동주파수는 다릅니다. 최저 사용주파수는 모터의 온도 상승이나
기동 토크의 크기등의 조건으로 3Hz전후로 합니다만, 기동 주파수는 실제로 전압이
출력되는 지점으로 대략 0.2~5Hz 정도가 됩니다.
설치 및 배선
1. 인버터에 삼상전원이 아닌 단상전원을 입력해서 사용할 수 있습니까?
인버터에 단상전원을 인가해서 사용하게 되면 POWER CONDENSER에 리플이 증가해
콘덴서가 소손되고 토오크 특성이 떨어질수 있습니다. 어쩔수 없이 단상전원을
인가할 수 밖에 없는 상황일 경우 모터용량보다 약2배(배) 높은
인버터를 사용하시기 바랍니다.
2. 인버터와 모터사이의 배선거리와 전선굵기는 어떻게 선정하면 됩니까?
인버터와 모터사이의 배선거리가 긴경우, 특히 저수파수 출력시는 전선의 전압강하에
의해 모터의 토오크가 저하합니다. 전선은 전압강하가 2%이내로 되도록 두꺼운 전선을 사용해 주십시오. 거리가 먼 경우에는 배선의 부유용량에 의해 충전전류의 영향을 받아서 과전류 트립이 오동작할 수 있으므로 배선길이는 300M (최대500M)이내로 해주십시오.
3. 인버터 2차측 출력선에 모터보호형 써멀 릴레이를 설치해야만 합니까?
모터를 과열에서 보호하기 위해 인버터에는 전자써멀 보호기능이 내장되어 있으므로 따로 외부에 써멀 릴레이를 설치할 필요가 없습니다. 그러나 인버터 한대로 여러대의 모터를 운전하는 경우나 다극모터를 운전하는 경우는 인버터와 모터사이에 열동형
써멀릴레이OCR)을 설치해 주십시오.
이 경우에는 전자써멀 기능을 사용하지마시고 열동형 써멀릴레이 값은 모터정격전류의 약1.1배에 선간누설전류를 더한 값으로 해주십시오.
4. 가감속시간은 어떻게 설정하면 좋습니까?
모터의 가감속시간은 모터의 발생 토오크와 부하토오크, 그리고 부하의 관성모멘트
( )에따라 결정됩니다. 가감속중에 전류제한 기능이나 스톨방지
기능이 동작하는 경우에는 시간이 증가할 수 있으므로 가감속시간을 길게 설정해
주십시오. 가감속시간을 짧게 하고 싶을 때는 외부에 정격의 제동저항(DB저항)을
달거나 토오크 부스트값을 크게 설정하든지(너무 크게하면 시동시에 과여자전류로
인해 과전류 트립이 발생할수 있음) 인버터의 용량을 크게 선정하면 가능합니다.
5. 인버터 1차측에 역률개선용 리액터를 설치하는 것은 역률개선외에 또 다른
이유가 있습니까?
역률개선용 리액터는 역률개선이외에도 대용량의 전원트랜스(1000kVA) 가까이
(10M이내)에 인버터를 접속한 경우나 입력전압 변동률이 3%이상이 되면 설치해야
합니다. 대용량의 전원트랜스(1000kVA) 가까이(10M이내)에 인버터를 접속한 경우
에는 인버터 전원입력 회로에 과대한 피크전류가 흘러 인버터가 소손될수 있고,
입력측 전압변동률이 크게 되어도 콘버터부의 다이오드 모듈이 소손될수 있습니다.
INV. 관련용어
1. AUTO TUNING 이란 무엇입니까?
한마디로 유도전동기 내부의 전기적 특성값을 인버터 자체에서 읽어, 모터를
구동시에 필요한 파라메터를 인버터 스스로 설정하는 것입니다. 이렇게 되면
센서리스 벡터 제어를 올바르게 수행 할수 있습니다
2. 인버터에서 말하는 오픈 루프와 클로즈드 루프란 말은 무엇입니까?
사용하는 모터에 속도 검출기(엔코더 등)를 붙이고 실회전 속도를 제어하는 장치로
피드백하면서 제어하는 것을 클로즈드 루프라고 하며 속도 검출기없이 운전하는
것을 오픈 루프라고 합니다. 범용 인버터는 오픈 루프방식이 많지만 벡터 인버터는
클로즈드 루프를 기본사용합니다.
3. 주파수 분해능이란 무엇이며, 어떤 의미가 있습니까?
인버터에서는 주파수 지령이 아날로그 신호일지라도 출력 주파수는 단계적으로
설정됩니다. 이 스텝의 최소값을 주파수 분해능이라 하며 보통 0.01Hz의
값을 가집니다. 분해능이 작다는 것은 설정 주파수를 정밀하게 조정할수 있고
모터의 회전수도 4극모터에서 1분해능에 대해 1RPM이하로 제어 할수 있습니다.
4. 제동저항은 무엇이며, 왜 DB저항이라고 불리웁니까?
인버터로 모터를 감속할 때는 모터는 유도발전기 역할을 해서 인버터측으로
회생전압을 보내는데 이 회생된 전압을 인버터 자체에서 소비시켜 모터를 정지
시킵니다. 인버터는 자체 제동토오크는 약20%인데 외부에 제동저항을 달아
회생전압을 외부에서 소비시키면 100%이상의 제동토오크를 발휘할 수 있습니다.
그리고, DB는 바로 Dynamic Brake의 약자입니다.
5. 토오크란 무엇입니까?
모터가 발생한 힘 즉, 회전력을 토오크라고 합니다. 일반적으로 힘으로 불리우는
직선운동에서는 kgf또는 N으로 표현되어지는데 모터의 경우는 축이 회전하는데서
힘을 발생하므로 회전운동에서는 토오크 (kgfm), (Nm)으로 표현됩니다.
<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = v />
2
2
6. GD 이란 무엇입니까?
GD 이란 물체의 관성을 수직화한 것으로 무게와 지름의 2승에 비례합니다.
무겁고 지름이 큰 물체는 관성이 크고 가벼운 물체는 관성이 작게 됩니다.
이 큰 부하는 가속, 감속에 시간이 걸리므로, 단시간에 가속, 감속하기
위해서는 큰 모터 토오트가 필요하게 됩니다.
7. 여자전류란 무엇입니까?
회전력을 출력하기 위해 필요한 기본이 되는 전류로서 극수와 출력에 따라 다르게
됩니다. 기저 주파수와 토오크 부스트를 잘못 설정하여 (V/F)비가 너무 커지면
과여자전류가 흘러 과전류 (OC)트립이 발생할수 있습니다.
8. 시동주파수, 기저주파수, 최대주파수는 각각 어떻게 다릅니까?
시동주파수란 운전지령시 주파수가 상승할때 실제로 전압이 출력되는 지점을
말합니다. 약0.2 ~ 5Hz사이에서 설정할 수 있는데 기동시 토오크를 높이기
위해서는 시동주파수를 약간 높게 설정하고 기동시 부드러운 스타트를 하고자
할때는 시동주파수를 낮추시면 됩니다. 기저주파수란 200또는 400V 등 정격의
최대전압을 출력하는 지점을 말합니다. 기저주파수란 통상 모터의 정격 주파수
로 설정하시면 됩니다. 최대주파수란 모터를 운전할 수 있는 최대 지점을
이야기합니다. 최대 400Hz까지 설정할 수 있지만 기저 주파수 이상에서는 모터
토오크는 2승에 비례해 감소하고 이상 진동이나 소음, 발열이 날수 있으므로
주의해야 합니다.
9. 반한시 특성이란 무엇입니까?
구동 전기량이 커짐에 따라 보호기기 또는 보호회로 동작시간이 짧아지는 특성을
말합니다. 인버터는 전자써멀 기능에 반한시 특성을 사용하는 데 설정한 값의
전류가 1분간 흐르게 되면 보호기능(ETH)이 동작하고 설정 전류레벨이상 흐르게
되면 1분 이내에 보호동작이 동작하고 설정레벨 이하라도 저속에서 오랜시간
흐르게 되면 보호기능이 동작하게 됩니다.
10. 스톨은 무엇이며 스톨방지기능은 무엇입니까?
스톨이란 순간적인 과부하에 의해 슬립이 발생해 인버터의 지령치와 모터의 속도가
벌어지는 것을 말합니다. 스톨방지기능은 바로 갑작스런 과부하에 의한 모터의
스톨현상을 방지하기 위한 것으로 스톨방지기능 시작전류레벨은 사용자가 설정할
수 있습니다.
11. iGBT란 무엇입니까?
Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자로서 고속스위칭 소자입니다. 턴오프
시간이 1㎲로 초당15000번 이상 스위칭이 가능합니다. 최대정격은 1.2kV, 400A
입니다. 평활된 DC전압을 펄스로 스위칭해서 AC전압으로 만드는 인버터부에 사용
되며 구기종에서는 Power Transistor를 사용했습니다. Power Transistor는 초당 1000 ~ 3000 번으로 고속 스위칭이 불가능했지만 iGBT를 사용하면은 전압파형이 안정되어
전류특성이 좋아지고 모터의 소음을 없앨수 있습니다.
12. %ED란 무엇입니까?
%ED란 제동허용률(Enable Duty)로서 총운전 사이클중 감속이 가능한 양을
나타냅니다. 즉, (제동시간의 총합) (운전 및 정지시간의 총합 + 제동시간의
총합)을 백분율로 표시한 것입니다. 이것은 인버터의 제동능력을 표시하는 것으로
제동저항의 값과 허용제동시간에 따라 약간의 차이가 있습니다.
13. SLIP이란 무엇입까?
모터의 회전속도는 부하가 걸리면 동기속도(인버터 지령치)에 비해 낮은 속도로
미끄러집니다. 이같이 동기속도에 비해 벗어난 정도를 나타낸것을 슬립이라고
합니다. 정격 토오크에서 운전하는 경우, 슬립은 3~5%정도가 일반적입니다.
부하 토오크가 크게 되면 (과부하)슬립도 크게 되어 모터에 전류도 높게 흐르게
됩니다
.
설치 및 배선
1. 모터와 인버터 사이의 최대 배선거리는 얼마나 됩니까?
200V 계열은 약 300M이내로 해도 되지만, 400V계열은 MICRO SUGE전압에 의해 모터
절연이 파괴될 수 있으므로 MICRO SUGE전압을 고려해 20 ~ 200M이내로 설치해야 합니다.
2. 상용전원이 50Hz인 곳에서 인버터를 사용할수 있는지? 그리고 60Hz의 출력이나옵니까?
LG인버터 전기종은 입력정격이 50/60Hz 둘다 사용할 수 있습니다. 그리고, 상용전원이
50Hz인 곳에서도 인버터 출력은 60Hz 상용전원을 사용했을 때와 동일합니다.(0 ~ 400 Hz)
3. 인버터와 모터사이의 출력배선과 인버터의 제어배선은 각각 어느정도까지 멀리
설치 가능합니까?
일반적으로 출력배선은 500M 이내로 하십시오. 그러나, 저주파시와 전선굵기에 의한
전압강하를 고려하여 300M이내로 하여 주십시오. 제어배선은 쉴드선을 사용하여
가능한 30M이내로 하여주십시오. 주파수 설정단자와 출력단자를 원거리에서 제어할
경우에는 중간에 신호 변환기를 설치하여 DC4 ~ 20mA전류신호로 변환하여 사용하시기 바랍니다.
4. 인버터 지령 입력단자의 배선을 원거리에서 제어하고 싶은데 어떻게 하면 됩니까?
제어단자는 일반적으로 30M이내로 배선하셔야 합니다. 그러나 원거리에서 제어하고자 하신다면 쉴드선을 사용해서 인버터 가까운곳에 중간 릴레이를 사용하십시오. 주파수 설정제어단자는 DC0 ~ 10V로 제어되는 단자를 사용하지 마시고 DC4 ~ 20mA 전류신호를 사용하는 단자를 사용하시기 바랍니다.
5. 기존에 설치되어 있는 모터는 Y-Δ기동방식이었는데 이 모터에 인버터를 설치하려고 합니다. 결선을 어떻게 하면 됩니까?
Y-Δ기동방식은 모터의 시동전류(정격의 약6배)를 억제하기 위한 방법인데 인버터를
사용하면 시동전류는 약 1.5배 정도로 낮아지므로 Y-Δ기동방식을 사용할 필요가
없습니다. 만약 인버터를 Y-Δ기동방식으로 사용하면 과전류(OC)트립이 발생할 수
있으므로 결선은 Δ로 하시면 됩니다.
저속 및 고속운전
1. 인버터를 60Hz 이상 운전하고 싶은데 어떻게 하면 됩니까 ?
인버터는 초기 공장 출하시 최대주파수가 60Hz로 설정되어 있습니다. 이 최대 주파수를 운전을 원하는 주파수 (최대 400Hz)까지 변경합니다
2. 60Hz정격 표준모터를 60Hz정격 이상으로 운전하면 어떤 문제가 있습니까?
표준모터는 120Hz이상 고속으로 운전할 수 없습니다. 또, 60Hz이상으로 운전하는 경우에도 소음, 진동, 베어링 수명, 모터 및 기계강도 상의 문제가 있을 수 있습니다.
60Hz이상에서는 속도가 증가함에 따라 토오크가 2승적으로 감소하므로 특히, 2극모터나 출력용량이 큰 모터를 사용할 때는 주의해야 합니다.
3. 인버터는 왜 낮은 주파수대에서 연속운전할 수 없습니까?
표준모터는 모터축에 부착된 냉각팬에 의해 냉각되므로 모터속도가 낮아지면 냉각효과가 저하하고 고속시와 동등한 발열에 견딜 수 없기 때문입니다.
4. 인버터는 낮은 주파수에서는 토오크가 떨어진다고 하는데 최하 몇Hz이상에서
운전해야 합니까?
인버터로 모터를 구동할 때 저주파수대에서는 모터의 1차측 권선저항성분에 의해 전압 강하가 발생해 토오크가 떨어집니다. 인버터는 저속에서도 순간 기동 토오크가
150%이상이 되고, 연속운전시는 100%이상의 토오크가 발생됩니다. 연속운전시에는
약3Hz이상에서 운전하시고 토오크 부족시는 "토오크 부스트" 기능을 사용하거나
6Hz이상에서 사용하십시오.
5. 콘베이어를 저속에서 연속운전하는데 모터를 30rpm으로 돌리고 싶습니다. 가능합니까?
4극 모터를 30rpm으로 돌리려면 인버터는 1Hz로 연속운전해야 하는데 이럴경우, 토오크 부족 현상이 발생할 수 있고 콘베이어를 돌린다해도 저속에서 연속운전하게 되면 모터축에 달려있는 냉각팬도 저속으로 회전하게 되어 모터발열이 제대로 되지않아 모터가 소손될수 있습니다. 이런 경우에는 모터축에 감속기를 달아 인버터를 높은 주파수로 사용하시면
됩니다. 예를 들어 20:1의 감속기를 사용하면 모터는 600rpm으로 돌리면 되므로 인버터 출력주파수는 20Hz가 됩니다.
주변기기
1. 인버터 입력측에 AC 리액터를 달아야 합니까?
전원측 용량이 인버터 용량보다 10배이상 이거나 입력역률 개선, 전원전압이 3%이상
불평형, 그리고 고조파를 저감시키기 위해서는 인버터 입력측에 AC 리액터를 달아야
합니다.
2. 인버터 외부에 제동저항을 꼭 달아야 합니까?
제동저항은 반드시 달아야만 하는것은 아니지만 관성이 큰 부하를 짧은 시간내에
세우게 되면 모터는 유도발전기 역할을 해 인버터쪽으로 회생전압을 보내 인버터는
과전압(OV)트립이 발생 합니다. 인버터는 제동저항을 달지 않으면 자체적으로 20%의
제동토크를 갖지만 제동저항을 달게 되면 100% 이상의 제동토크를 갖게 됩니다.
그러므로 관성이 큰 부하를 고빈도 가감속 운전하실 경우에는 제동저항을 달아주십시오.
3. 인버터 2차측에 M/C를 설치해야 합니까?
상용운전으로 모터를 직입시동할 경우에는 M/C를 사용하지만 인버터를 사용해
모터를 구동할 경우 출력측에 M/C를 설치할 필요가 없습니다. 잘못하여 시동중
이나 운전중 M/C동작하게 되면 과전류 (OC)트립이 발생할 수 있습니다.
운전시 특성
1. 인버터 운전의 경우 모터의 기동 전류, 기동 토크는 어떻게 됩니까?
인버터 운전에서는 모터의 가속에 맞추어 주파수와 전압을 올리므로 기동전류는 150% (최고 200%)이하로 제한됩니다. 상용전원에서의 직입기동으로 모터정격전류의 6~7배의 기동전류가 흐르는 것에 비해 인버터 구동으로 원활한 기동이 가능하게 됩니다.
기동토크는 150% 이상으로 전부하 그대로도 기동 가능합니다.
2. 인버터 설정속도와 모터 실제 회전속도는 같습니까?
일반적으로 인버터는 설정 주파수를 출력해도 모터의 정격 슬립 범위(1~5%)내에서
부하변동에 따른 속도변동이 있게 됩니다. 부하변동에 대해서도 설정속도에 가깝게
운전을 하고 싶으면 제품별 기능을 참조하여 기능을 선택하면 됩니다.
3. 인버터를 써서 모터를 세울때의 전기적 제동의 원리에 대해서 알고 싶습니다.
회전중인 모터를 주파수를 낮춰서 정지시키면 모터는 유도 발전기로 변화하고 인버터
쪽으로 전원이 회생되어 돌아옵니다. 모터에서 회생된 에너지는 인버터의 평활 콘덴서에 축적되므로 콘덴서의 용량이나 내압의 관계에서 인버터 회생 제동 능력은 약20% 정도 입니다. 그러나, DB (DYNAMIC BRAKE) 타입의 인버터를 사용해 외부에 제동저항을 달게 되면 100% 이상의 제동토크를 발휘할 수 있습니다.
4. 4상한 운전이란 무엇이며, 인버터에서도 4상한 운전이 가능합니까?
4상한 운전이란 정전, 역전을 할 수 있고 기동, 제동의 두방향 토크로 운전하는
것을 말한다. 예로서, 정전하고 있을때는 1상한 운전, 정전하고 있는 것을 급히
정지할 때는 2상한 운전, 역전하고 있을 때는 3상한 운전, 역전하고 있는 것을
급히 정지 할 때를 4상한 운전이라 할 수 있습니다. 인버터에서는 외부제동저항을
달면 제동토크를 낼수 있으므로 4상한 운전이 가능하지만, 엘리베이터나 리프트
같은 운전에서는 제어상, 응답속도상 복잡한 사양이 있는 경우에는 응답성과 제어성이
뛰어난 벡터 인버터을 사용하시는 것이 좋습니다.
기 타
1. 스톨방지 기능이란 무엇입니까?
필요이상으로 짧은 가속시간을 설정하면 인버터는 과전류가 흘러 트립되고 정지합니다.
이것을 스톨(실속)이라고 하는데 이 스톨을 방지하고 연속운전시키기 위해 전류의
크기를 검출하면서 주파수를 제어합니다. 감속시와 정속운전시도 마찬가지인데 이것을 스톨방지 기능이라고 합니다.
2. 주파수 점프 기능이란 무엇입니까?
모터로 구동되는 기계에는 고유의 공진 주파수가 있고 인버터로 회전속도를 변화시키면 이 공진 주파수와 합치한 점에서 기계가 큰 진동이나 소음을 일으키며 때에 따라서는 기계가 파손되기도 합니다. 공진을 피할 수 없는 운전의 경우에 공진 주파수에서 상당 하는 인버터 출력 주파수를 위, 아래로 점프시켜 모터의 공진을 피하는 기능입니다.
3. 순시정전 재시동 기능은 무엇입니까?
전원이 15mSec이상 동안 정전 또는 강압한 경우 인버터는 오동작을 막기 위해 트립이
발생되어 모터가 정지합니다. 그러나, 부하에 따라 복전시 자동으로 재시동해야 하는
상황에서는 순시정전 재시동 기능을 사용하면 가능합니다. 모터가 완전히 정지한
후에 재기동하는 방법과 회전중에 모터 속도를 검출해서 재기동하는 방법이 있습니다.
4. 기존 설치된 콘베이어를 80Hz로 스피드를 높이고 싶은데 인버터 용량은 어떻게
선정하면 됩니까?
기준속도를 60Hz로 하면 인버터는 60Hz이상은 정출력 특성이 되므로 콘베이어와 같은 정토오크 부하에서는 80/60 = 약1.3배 높은 용량이 필요하게 됩니다. 이것은 인버터와 마찬가지로 모터도 용량상승이 필요합니다.
5. 2.2kW 4극의 모터 2대를 M/C를 사용해서 차례로 기동시키고 싶은데 1대의 인버터로 구동 시킨다면 용량은 어떻게 선정합니까?
200V 2.2kW 모터 2대를 동시에 기동, 정지할 경우 모터의 정격전류가 10A라 하면
정격전류의 2배인 20A에서 5.5kW 인버터(정격전류 24A)로 운전이 가능하지만, 순차
기동의 경우 2번째 모터 기동에 필요한 전류는 정격의 6배의 전류(직입기동시와 동일)
가 흐르므로 10A + 610A가 되므로 총70A의 용량이 필요해서 15kW 이상의 인버터가
필요하다. 따라서 1대의 인버터로 순차기동을 행하는 것은 경제적으로 손실이므로
2대의 인버터를 개별로 설치하는 것이 좋다.
TROUBLE
1. 모터회전중에 클러치로 부하를 연결하면 인버터의 보호기능이 동작하는데 이유가
무엇입니까?
클러치로 부하를 연결하면 순간적으로 모터는 무부하상태에서 슬립이 큰 영역으로 급변 하고 큰 기동전류가 흘러 과전류(OC) 트립이 발생합니다. 그래서, 클러치를 사용해서 부하를 기동하지 마십시오.
2. 역률개선용 콘덴서부 모터를 인버터로 구동하려고 했지만 동작하지않고 트립이
발생했습니다. 이유가 무엇이고 그 대책은 무엇입니까?
인버터의 전류가 역률개선용 콘덴서에 유입되고 그 충전 전류에 의해 인버터 과전류(OC) 트립이 발생합니다. 대책으로는 콘덴서를 제거하고 운전하시면 됩니다. 역률개선은 인버터 1차측에 AC 리액터를 삽입하면 됩니다.
3. 인버터 출력중 M/C 를 ON - OFF할 경우 OC TRIP이 발생합니다. 그 대책은?
고응답 전류제어기를 사용하면 M/C 개폐시 SURGE전류에 의한오동작을 방지할 수
있습니다.
4. 인버터에 전원을 넣었을때 외부이상신호(Etr, Ext) 트립이 발생하고 reset을 눌러도
해제가 되지 않습니다.
이것은 인버터 입력단자 P단자 중 어느 한단자가 외부이상신호 (EXT_TRIP)기능으로
설정되어 있기 때문입니다. 일단 파라메터 중 입출력 그룹에서 외부이상신호로 설정된
단자를 확인하고 조치하면 됩니다.
5. 인버터를 시동하자마자 바로 과전류(OC)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터를 시동하자마자 바로 트립이 발생한다는 것은 부하측에 문제이기보다는 외부
결선의 문제일 확률이 높습니다. 크게 두가지로 나눌수 있는데 인버터 2차측 출력단자에 M/C를 설치해서 인버터 시동과 동시에 M/C를 ON하면 접점 노이즈나, 시동전류로 인해 트립이 발생하게 됩니다. 이러한 경우에는 M/C를 떼어내시거나 인버터 가속, 정속, 감속중에는 먼저, 언제나M/C가 붙어 있도록 시퀀스를 꾸미시기 바랍니다.
또, 다른 경우는 모터에 브레이크가 설치되어 있는 경우인데, 인버터 시동중 순간적
이라도 모터에 브레이크가 걸려 있는 상태라면 과부하로 인한 과전류(OC)트립이 발생
하게 됩니다. 그러므로, 인버터 시동전 약100mS이전에 브레이크가 풀리도록 시퀀스를
꾸미십시오. 특히, 브레이크 내장형 모터인 경우는 브레이크 동작전원을 인버터 2차측
에서 따오지 마시고 반드시, 별도의 상용전원을 사용하시기 바랍니다. 또, 모터에 역률개선용 콘덴서를 달아 놓은 경우데도 순간적인 충전전류에 의해 과전류트립이 발생할수 있으므로 역률개선용 콘덴서는 제거하시기 바랍니다.
6. 인버터가 가속이나 정속운전 중에 과전류(OC)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터가 운전중에 과전류 트립이 발생한다는 것은 대부분 부하에 의한 토오크 부족으로 생각할 수 있습니다.
1) 부하 에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르거나, 2) 인버터의 부하가 정격
보다 크거나, 3) 인버터와 모터 용량 설정이 잘못되었거나 4) V/F 패턴 설정이 잘못된
경우 등이 있습니다. 일단 부하가 과부하상태가 아니인지 운전중 급격한 부하변동은
없는지 확인하시고, 가감속 시간을 여유있게 재설정하거나 V/F패턴을 확인하시고 저속
에서는 토오크 부스트를 조금씩 올려 조정하거나 시작 주파수를 올려 설정하십시오.
7. 인버터가 감속때 과전압(OV)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
모터는 감속시 회전관성에 의해 유도 발전기 역할을 하여 인버터로 회생전압을 줍니다.
그래서, 모터를 세울때 관성이 큰 부하를 짧은 시간내에 감속하면 과전압 트립이 발생
합니다. 대책으로는 감속시간을 늘리고, 인버터 정격에 맞는 제동저항(DB저항)을 외부에 설치하셔야 합니다.
8. 인버터가 감속이 아닌 정지나 운전중에 감속때 과전압(OV)트립이 발생합니다.
어떤 원인으로 그렇습니까?
정지시 과전압 트립이 발생하는 경우는 인버터 1차측에 정격이상의 전압이 인가된 경우 입니다. 200V계열은 약250V, 400V계열은 약 500V이상 인가되게 되면 트립이 발생합니다.
운전중에 과전압 트립이 발생하는 경우는 부하측의 회전관성이 커서 인버터 지령 주파수 보다 더 빠른 속도로 회전하게 되는 경우에 이런 현상이 발생합니다.
9. 인버터 정지나, 운전중에 저전압(LV)트립이 발생하는데 어떤 이유때문입니까?
인버터 정지나, 운전중에 저전압(LV)트립이 발생하는 이유는 여러가지가 있는데 인버터 입력측 전압이 낮아(200V계열은 150V, 400V계열은 300V이하) 내부 DC전압이 낮아지면 트립이 발생합니다. 또, 전원용량보다 큰 부하가 접속되어 있거나 순시정전에 의해서도 발생할 수 있습니다. 그리고, 입력전원이 정상인 경우에도 트립이 발생하면 내부 콘덴서 열화로 인해 발생할 수 있습니다. 전해 콘덴서의 수명은 40℃에서 약 5년이지만 그 수명은 주위온도에 따라 급격하게 감소 합니다. 예를 들어 주위 온도가 10℃ 올라 가면 콘덴서 수명은 반으로 줄어들게 됩니다.
10. 인버터가 감속때 과전류(OC) 트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터가 감속때 과전류 트립이 발생하는 이유는 크게 두가지로 나눌수 있는데 우선,
정지지령이 들어가 인버터가 감속중에 외부브레이크가 동작하는 경우와 2차측 출력
M/C가 떨어지는 경우 입니다. 인버터가 감속하면 인버터는 바로 정지하는 것이 아니고 감속시간에 따라 감속하는 데 그 사이에 모터측에 브레이크가 동작하거나 출력측
M/C가 떨어지면 과전류트립이 발생합니다.
일단, 출력측 M/C는 모터가 완전히 정지한 후에 떨어지도록 시퀀스를 꾸미시고 모터가 감속중에 브레이크가 동작되는 경우는 브레이크가 동작하기 약100mS전에 출력이 제어 되도록 설정해 주면 됩니다.
11. 인버터 사용중 과열(Over Heat)트립이 발생합니다. 원인은 무엇입니까?
인버터는 고속스위칭과 제동저항의 발열로 인해 히트싱크를 설치하고 냉각팬을 돌려
냉각을 하고 있습니다. 그런데 냉각팬이 고장이나 동작하지 않거나, 판넬내부의
통풍이 제대로 되지않아 주위온도가 올라가게 되면 인버터는 과열되어서 과열트립이
발생합니다. 일단, 냉각팬이 제대로 동작하는지 확인하시고 인버터 주위온도를 40℃
이하로 유지해 주십시오. 그런데, 인버터 자체가 과열되지 않은 상태에서 자주 과열
트립이 발생하면 히트싱크에 있는 온도 센서가 불량이므로 A/S를 받으시기 바랍니다.
온도센서 정격온도는 85℃입니다.
12. 인버터 운전중 가끔 Err 트립이 발생하는데, 운전은 계속되는데 reset을 해도해제가 되지 않습니다. 어떻게 해야 됩니까?
Err 트립은 본체 PCB와 로더간의 통신이 불량일 경우 발생합니다. 외부 노이즈나
인버터 본체와 로더 접속불량, PCB나 로더 불량등일때 발생합니다. 로더를 떼어서
콘넥터에 이물질이 없는지 확인하고 다시금 꽉 끼워 넣으시고, 계속적인 통신에러가
발생할 경우에는 PCB와 로더를 새로 교체하시기 바랍니다.
13. 인버터 운전중 GF 트립이 발생하는데 원인이 무었입니까?
GF트립은 인버터와 모터사이의 출력에 지락(Groud Fault)이 발생할 때 나타납니다.
인버터 정격전류의 약 50%의 전류가 지락되면 트립이 되는데 출력선이 마모
되었는지, 모터 절연이 약화되었는지 확인하시기 바랍니다.
14. 각종 보호기능(TRIP) 동작원리와 대책으로 무엇이 있습니까?
|
보호기능 |
이상원인 |
대책 |
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과전류보호 |
1) 부하 에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르다. 2) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 3) 모타 Free run 중에 인버터 출력이 인가되었다. |
1) 가감속 시간을 늘린다. 2) 인버터 용량을 키운다. 3) 전동기가 정지된 후에 운전한다. |
|
지락전류보호 |
1) 인버터의 출력선이 지락되었다. 2) 모타의 절연열화. 3) 인버터 출력에 마그네틱 콘택터 사용시 On-Off 접점 노이즈 |
1) 인버터의 출력의 지락을 확인한다. 2) 모타 교체. 3) 출력에 부착된 마그네틱콘택터에 노이즈 제거용 스너버 부착. |
|
과전압보호 |
1) 부하 에 비해 감속시간이 너무 짧다. 2) 회생부하가 인버터 출력측에있다. 3) 전원 전압이 높다. |
보호 1) 감속 시간을 늘린다. 2) 회생저항 옵션을 사용한다. 3) 전원 전압을 확인한다. |
|
전류제한보호(과부하보호) |
1) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 2) 인버터 용량 설정이 잘못되었다. 3) V/F 패턴 설정이 잘못되었다. |
) 1) 전동기, 인버터 용량을 UP 한다. 2) 인버터 용량을 올바르게 설정한다. 3) V/F 패턴을 올바르게 설정한다. |
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FUSE 소손 |
1) 과전류 보호의 반복에 의한 소손. 2) 과여자 상태에서의 급감속 소손. 3) 외부 노이즈에 의한 소손. |
Fuse를 교환합니다. (주의) Fuse Open Trip시에는 IGBT가 소손된 경우가 많습니다. |
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히트싱크과열 |
1) 냉각팬 고장 및 이물질 삽입. 2) 냉각계통에 이상이 있다. 3) 주위 온도가 높다. |
1) 냉각팬의 교체 및 이물질을 제거. 2) 히트싱크의 이물질 삽입을 확인한다. 3) 주위온도를 40도 이하로 한다. |
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전자써말 |
1) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 2) ETH 설정 레벨이 낮다. 3) 인버터 용량 설정이 잘못되었다. 4) V/F 패턴 설정이 잘못되었다. 5) 저속에서 장시간운전. |
1) 인버터 용량을 키운다. 2) ETH 레벨을 적절하게 조절한다. 3) 인버터 용량을 올바르게 설정한다. 4) V/F 패턴을 올바르게 설정한다. 5) 전원별도의 팬을 부착한다. |
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외부고장 (외부써말) |
외부 고장이 발생되었다. |
써멀 외부 고장 단자에 연결된 회로 이상 또는 외부이상 입력의 원인을 제거한다 |
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저전압보호 |
보호 1) 전원 전압이 낮다. 2) 전원 용량보다 큰 부하가 접속 되었다. (용접기, 시동전류가 큰 전동기의 직입등) 3) 전원측 전자 접촉기의 고장 및 불량 |
1) 전원 전압을 확인한다. 2) 전원용량을 키운다. 3) 전자 접촉기 교체. |
오동작 소손
INV. 오동작 및 소손
1. 같은 공장안에서 대형모터를 기동시키면 운전중인 인버터가 정지해 버리는데 어떤원인에서 그런 현상이 발생합니까?
모터를 기동하면 정격전류의 약6배의 기동전류가 흘러 모터 1차측 트랜스에 전압강하가 발생하는데 모터영향이 크면 그 영향도 커지게 되고, 같은 트랜스에 접속된 인버터는 대폭적인 전압강하(부족전압) 또는 순시정전이 발생해 보호기능이 동작하는 것입니다.
2. 인버터 입력측 R,S,T의 각상 전류를 측정해 보았는데 3상 전류가 같지 않고 어느
한상으로 높은 전류가 흐르고 있습니다. 원인이 무엇이며 대책으로 어떻게 하면 됩니까?
인버터는 3상전원을 입력받아 콘버터부에서 직류전압으로 정류하는데 만약 3상 전압이 같지 않고 불균형하게 되면 인버터 특성상 어느 한상으로 전류가 흐를수 있습니다.
이렇게 되면 콘버터부에 다이오드 모듈이 소손될수 있으므로 주의해야 합니다.
대책으로는 3상전원 변동률이 3%이내로 되게 하시고 입력측에 AC리액터를 설치하십시오.
3. 인버터에 전원을 넣어도 로더에 불이 들어오지 않습니다. 어떻게 해야 합니까?
일단, 인버터 케이스를 떼어낸 후 PCB상에 충전램프(빨강 발광다이오드)에 불이 들어
오는지 확인 하시고(불이 들어오지 않으면 인버터 불량임) 로더와 PCB사이에 접속
케이블이 빠져있는지 확인 하십시오. 케이블의 콘넥터가 단단히 고정되어 있는데도
로더에 불이 들어오지 않으면 로더 불량이거나, PCB불량이므로 새 로더를 연결하시거나, PCB를 수리받으시기 바랍니다.
4. 인버터로 모터의 회전방향을 바꾸려 하는데 잘되지 않습니다. 어떻게 해야 합니까?
모터의 3상중 어느 한상이 단선되거나 절연이 파괴되면 기동이 잘 되지 않고 회전
방향이 바뀌지 않을 수 있습니다. 인버터와 모터의 출력배선을 확인하시고 모터 절연
파괴를 확인하십시오.
5. 인버터 사용중 제동TR이 소손되었습니다. 원인이 무엇입니까?
원인으로는 여러가지가 있을 수 있지만, 리프트나 엘리베이터와 같이 하강시 관성이
큰 부하에서는 감속때 모터에서 높은 회생전압이 순간적으로 인버터로 인가되기 됩니다.
이러한 때, 감속시간이 너무 짧거나 정격의 제동저항(DB저항)을 달지 않았을 경우에
제동TR이 소손될수 있습니다. 또, 제동저항이 판넬 같은 곳에 short되어도 무한전류로
인해 제동TR이 소손됩니다.
6. 인버터의 충전저항(돌입전류 억제저항)이 소손되었습니다. 원인이 무엇입니까?
인버터에 전원을 투입하면 콘덴서로 돌입전류가 들어갑니다. 이 돌입전류를 억제해서
낮추는 것이 충전저항인데 인버터의 입력전원을 빈번하게 ON, OFF하게 되면 높은
피크치의 돌입전류가 자주 인가되게 되서 충전전류가 소손됩니다. 그러므로 모터를
운전,정지할 경우에는 인버터에 전원을 넣었다, 뺏다한 하지마시고 제품별RESET단자를 이용해 사용하시기 바랍니다. 또, 순시정전후 복전이 자주되는 곳에 설치된 인버터에서도 위와 같은 현상이 발생할 수 있습니다.
7. 외부에서 DC0 ~ 10V 신호변환기를 사용해서 주파수를 설정하는데 주파수가 안정되게 설정되지 않고 계속해서 가변됩니다. 어떻게 하면 좋겠습니까?
주파수가 흔들린다는 것은 V1과5G단자에 DC전압이 안정되게 입력되지 못하기 때문
입니다. 그래서 입력 DC전압을 안정되게 해주기 위해 V1과5G단자에 50V 0.01㎌ 콘덴서 를 달으시면 주파수 떨림을 막을 수 있습니다.
8. 인버터의 전원 입력단자와 출력단자의 전류를 측정해 보니 서로 다르게 나옵니다.
혹시 인버터가 불량이 아닌지?
인버터의 입력측은 220/440V의 상용전원이 변동없이 입력되는 반면, 출력측의 전압은
주파수에 비례해 가변되고 특히나 부하특성에 따른 토오크 보상으로 인해 출력전류는
계속적으로 변화합니다. 이런 이유로 입력과 출력측의 전류가 차이가 나게 됩니다.
모터, 주변기기 오동작 및 소손
1. 인버터를 가동하기만 하면 PLC, 센서 등과 같은 주변기기들이 오동작을 합니다.
어떤 원인이며 대책으로 무엇이 있습니까?
인버터는 전압을 초당 10000번 이상 고속 스위칭 하는 전력변환 장치이므로 자체적으로 노이즈가 발생합니다. 이 노이즈가 여러가지 경로를 통해서 주변기기에 영향을 줍니다.
대책으로는 여러가지가 있지만 주요내용을 요약해 보자면 인버터 입출력전원단자(RST,UVW)와 제어배선은 30cm이상 분리해 배선하시고(최소 10cm이상) 배선이 교차하게 되는 경우는 가능한 수직으로 배선하고 평행배선은 하지 마십시오. 입력측 전원은 절연 트랜스를 사용하시고 주변기기와 별도의 전원을 사용하십시오. 또 입력측에 AC리액터를 설치하는 것도좋습니다. 접지는 인버터와 주변기기 각각, 별도접지(2종 또는 3종)를 하시기 바랍니다. 여의치않은 경우는 인버터만 어스접지하시기 바랍니다. 제어배선은 쉴드선을 사용하시고 제어단자의 COMMON이나 E단자에만 쉴드를 연결하십시오. 쉴드는 절대로 어스접지와 함께 연결하지 마십시오. 주변기기는 가능한 인버터와 멀리띄워 설치하시고 여의치 않은 경우는 중간에 차폐판을 설치하십시오. 그리고 무엇보다도 기능그룹의 "스위칭 주파수(Carrier Frequency)"를 내려서(약3~5kHz) 사용하십시오. 노이즈 필터를 사용하는 것도 한 방법이 될수 있습니다.
2. 인버터를 동작하면 주위에 설치된 ELB(누전차단기)가 오동작합니다. 원인은 무엇이며, 대책으로 무엇이 있습니까?
인버터의 입출력선간 및 대지간에 정전용량이 존재해서 본래의 모터 전류이외에 이 정전 용량을 경유하는 누설전류가 흐릅니다. 상용전원에 비해 인버터의 경우 누설전류에는 고주파 성분이 많이 포함되어 있는데 이 높은 주파수대의 대지간 누설전류가 누전차단기 의 동작전류를 높게 흐르게 하여 누전차단기가 동작합니다. 스위칭 주파수(CarrierFrequency)가 높고, 배선길이가 길고, 대지간 정전용량이 크면 클수록 누설전류도 크게됩니다.
대책으로는 고조파surge용 누전차단기를 사용하던가 감도전류를 높게 설정합니다.또,
모터에 전용접지선을 배선하고 인버터의 스위칭 주파수를 낮추시면 누설전류가 감소합니다.
3. 외부에 설치된 제동저항이 타버렸습니다. 원인이 무었입니까?
제동저항이 타버렸다는 것은 여러가지 이유가 있지만 인버터 용량에 맞지 않는 제동저항을 달았거나 제동저항이 판넬등에 short되었을때에 발생할 수 있습니다. 또, 관성이 큰 부하 를 빈번하게 감속하게 되면 회생전압에 의해 제동저항이 뜨거워져 소손될 수 있습니다.
이러한 경우는 제동저항의 냉각을 고려하거나 인버터의 용량을 높일 필요가 있습니다.
4. 인버터로 모터를 운전하는데 진동이 심합니다. 특별한 대책이 있습니까?
모터의 진동은 크게 2종류로 구별되는데 모터에 전원을 차단했어도 발생하는 진동을
기계적 진동, 모터에 전원이 인가되었을 때만 발생하는 진동을 전자적 진동이라고
합니다. 기계적 진동은 부하측에 이상이 있을 경우에 발생하는 것이므로 부하를 점검
하시고, 전자적 진동의 대책으로는 스위칭 주파수를 높여 전류 파형을 안정되게 하고
2차측에 AC리액터를 설치하거나 모터의 발란스를 높은 것으로 교환하십시오.
5. 인버터를 사용하면 모터측에 소음이 심하다고 하는데 어떻습니까?
인버터의 출력파형은 상용전원과는 달리 펄스형태의 전원이므로 이 전원파형을 만드는 스위칭 주파수로 인해 모터에 전자소음이 발생합니다. 구 모델인 G 시리즈는 스위칭 주파수가 가청 주파수대인 약1.5kHz이어서 모터의 소음이 발생했지만 현재 출시되고있는 제품들은 스위칭 주파수를 3 ~ 15kHz로 가변할 수 있어서 약10kHz 이상으로 설정해 놓으면 가청주파수대를 벗어나게 되므로 모터의 전자소음이 발생하지 않습니다.
그러나 스위칭주파수를 올릴때는 노이즈 대책이 필요합니다.
기타
1. 0 Hz에서 소프트 스타트하지 않고 이미 설정된 주파수에서 운전중에 M/C를 써서
모터에 직접 투입해 기동할 수 있습니까?
극히 낮은 주파수대에서는 가능하지만 설정 주파수가 높아지면 상용전원에서의 기동조건과 비슷해지므로 큰 기동전류(정격의 약6배)가 출력되므로 과전류(OC) 트립이 발생합니다.
2. NOISE 방지대책으로 무엇이 있습니까?
1) 캐리어 주파수를 낮춘다. 2) 동력선과 제어선을 이격시킨다.
3) 노이즈 필터를 채용한다. 4) 페어라이트 코어를 삽입한다.
5) 트위스트 쉴드선을 사용한다. 6) 인버터 어스접지를 확인한다.
3. 전자써멀기능이란 무엇입니까?
모터의 소손을 방지하기 위해서 일반적으로는 열동형 써멀릴레이를 사용하는데 이것은저속에서 운전시에는 모터냉각저하에 의한 온도상승까지 감지할 수 없습니다.
그래서, 인버터는 운전전류값과 주파수에서 모터온도 특성을 계산해서 모터 과열을
보호하는 것이 전자써멀 기능입니다. 1대의 인버터로 여러대의 모터를 구동하는
경우나 인버터 용량에 비해 모터용량이 너무나 적은 경우는 보호할 수 없습니다.
4. 고조파와 고주파는 어떻게 다릅니까?
고주파는 주파수 자체의 값이 큰 것을 말합니다. 예를 들어 3kHz나20kHz 등과 같은
것입니다. 고조파는 30Hz 같은 저주파수에서도 그 출력파형을 분석하면 기본파외에
정수배의 성분 (예로서 5차는 150Hz, 7차는 210Hz 등)을 갖고 있으며 이 성분을
고조파라고 합니다.
모터
1. 60 Hz이상 모터를 운전할 때의 주의사항은 어떤 것이 있습니까 ?
1) 기계나 장치가 그 회전속도로 충분히 운전가능할 것(기계적 강도, 소음, 진동)
2) 모터는 정출력범위가 되므로 그 토오크로 일을 감당할 수 있을 것
3) 베어링의 수명문제가 발생하므로 충분한 검토가 필요합니다.
2. 인버터로 단상모터를 운전할 수 있습니까?
단상모터는 인버터로 가변속하기에는 적합하지 않습니다. 콘덴서 기동방식에서는 콘덴서에 고조파 전류가 흘러 콘덴서가 소손될수 있으며 그리고, 분상기동방식, 반발기동방식 의 모터도 저속에서는 출력 토오크가 나오지 않고 내부의 원심력 스위치가 동작하지 않아서 시동코일이 소손됩니다.
3. 표준모터를 인버터로 구동하면 온도상승이 크다고 하는데 얼마정도입니까?
인버터의 출력파형은 상용전원에 비해 파형률이 나빠 온도상승에 따라 영향을 받습니다. 또한, 저속에서는 냉각팬에 의한 냉각효과가 떨어져 60Hz에서는 정격토크로 연속 사용할 수 있지만 1/2속도에서는 10% 감소, 1/3속도에서는 20% 감속된 토크로 연속운전할 필요가 있습니다.
4. 브레이크가 내장된 모터를 사용할 때 주의할 점은 무엇입니까?
브레이크 여자회로는 반드시 인버터 1차측 전원으로 구동시켜야 한니다. 그리고, 인버터가 동작중(가속, 정속, 감속)에 브레이크가 동작하면 과전류(OC) 트립이 발생하므로 인버터가 출력을 정지한후 브레이크가 동작하도록 시퀀스를 꾸미십시오.
5. 인버터로 모터를 운전하는데 모터의 절연이 파괴되었습니다. 원인이 무엇입니까?
인버터와 모터사이의 배선길이가 긴 경우에는 케이블의 분포정수에 따라서는 반사공진에 의해 전동기 단자전압에서 정격의 2배에 가까운 서지전압이 발생합니다. 200V계열에서는 문제가 되지 않지만 400V계열에서는 이 서지전압으로 인해 모터의 절연이 파괴될 수 있습니다. 400V계열에서는 평활된 직류전압이 × 440 = 620V이고 서지전압은 620×2 = 1200V가 되므로 모터절연내력인 850 ~ 1000V를 넘으므로 모터절연이 파괴됩니다. 대책으로 전동기의 절연내력을 향상시키거나 인버터 출력단에 AC 리액터나 서지억제 필터를 설치해서 서지 전압을 억제하십시오.
6. 인버터 운전의 경우 모터의 기동 전류, 기동 토크는 어떻게 됩니까?
인버터 운전에서는 모터의 가속에 맞추어 주파수와 전압을 올리므로 기동전류는 150%(최고 200%)이하로 제한됩니다. 상용전원에서의 직입기동으로 모터정격전류의 6~7배의 기동전류가 흐르는 것에 비해 인버터 구동으로 원활한 기동이 가능하게 됩니다.
기동토크는 150% 이상으로 전부하 그대로도 기동 가능합니다.
7. 60Hz정격 표준모터를 60Hz정격 이상으로 운전하면 어떤 문제가 있습니까?
표준모터는 120Hz이상 고속으로 운전할 수 없습니다. 또, 60Hz이상으로 운전하는 경우 에도 소음, 진동, 베어링 수명, 모터 및 기계강도 상의 문제가 있을 수 있습니다.
60Hz이상에서는 속도가 증가함에 따라 토오크가 2승적으로 감소하므로 특히, 2극모터나 출력용량이 큰 모터를 사용할 때는 주의해야 합니다.
유지보수
1. 인버터 설치시 주의할 사항으로 무엇이 있습니까?
인버터 설치시 특히, 냉각을 고려해야 합니다. 판넬 내부에 설치할 때는 판넬내부의
환기가 잘 되게 환기 팬의 위치에 주의하고, 인버터는 수직으로 부착하되 위아래로 통풍에 지장이 될 만한 것이 없는지 확인합니다.
2. 인버터의 수명은 어느 정도입니까?
인버터는 평활 콘덴서나 냉각팬과 같은 소모품을 정기적으로 갈아주고 급격한 부하변동에 따른 무리한 운전을 피하며 적절한 주위환경(온도, 습도, 먼지)을 유지하여 주면 10년 이상의 수명을 기대할 수 있습니다.
3. 인버터 부품의 교환시기에 대해 알고 싶습니다.
평활 콘덴서와 알루미나 콘덴서는 약 5년, 냉각팬은 약 3년, 휴즈는 10년, 그리고
릴레이와 타이머 등은 CHECK후 결정하시기 바랍니다. 그러나, 사용환경(주위온도, 통풍조건)과 사용율(부하율, 전압인가시간)에 따라서 이 교환년수가 변화될 수 있습니다.
4. 인버터의 수명이 단축되는 요인으로는 구체적으로 어떤 것들이 있습니까?
1) 온도, 습도가 높거나 변화가 심한 장소에서 사용하는 경우
2) 운전과 정지를 빈번하게 하는 경우
3) 전원(전압, 주파수, 파형왜곡)과 부하의 변동이 큰 경우
4) 진동, 충격이 많은 장소에 설치되어진 경우
5) 마모, 염분, 산성가스, 유화수소 등의 유해가스,오일분진 등의 환경에서 사용하는 경우
6) 사용전 보관상황이 나쁘거나 장기간 보존된 경우
7) 전원용량이 인버터 용량보다 매우 큰 경우 (약10배 이상)
벡터 인버터
1. 벡터 인버터란 무엇입니까?
벡터 인버터는 모터의 전류를 여자분 전류와 토오크분 전류로 분리시켜 제어하는데 구체적으로, 속도검출기(엔코더)로 모터의 슬립을 검출하여 부하토크의 크기를 연산으로 구하여 이 토크에 적합하도록 모터의 전류를 흐르게 함으로써 소정의 여자분 전류를 확보합니다.
고응답, 고정도, 고신뢰성을 요구하는 servo 급 system 에 적용할 수 있으며, 벡터 제어
전용모터를 사용하게 됩니다. 벡터 제어 전용모터는 온도 변화에 따른 motor 특성 보상 및 feed back loop control 55Hz의 속도 응답을 갖추고 있습니다.
2. 벡터 인버터로 운전하는데 모터가 돌지 않습니다.
1) 인버터 출력 U,V,W상이 각각 모터의 U,V,W상으로 연결이 바르게 되어 있나 확인 하십시요.
2) Inv Capa가 현재 인버터의 용량을 가리키고 있습니까?
인버터의 현재 용량은 왼쪽 옆면의 제품 이름을 보면 알 수 있습니다.
3) Motor Capa가 현재 모터의 용량을 가리키고 있습니까?
4) Max. Speed가 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 사용 용도에 적절하게 설정하십시요.
5) Rated Cur이 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 설정하십시요.
6) No Load Cur이 설정되어 있습니까?
사용용도에 따라 적절하게 설정하십시요. 정격의 값을 넘지 않게 설정하여야 하며
대개의 경우 정격의 30 ~40% 정도 입니다.
7) Rated Slip값은 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 설정하십시요.
8) Torque값은 설정되어 있습니까?
사용용도에 따라 적절하게 설정 하십시요. 만약 이 값이 정확히 설정되지 못하면
인버터의 성능은 급격히 저하됩니다.
3. 벡터 인버터로 운전하는데 모터는 돌지만 속도가 나지 않습니다.
1) Encoder. pulses가 적절히 설정되어 있습니까?
Encoder 업체에 문의 하십시요.
2) 속도가 30 ~60 rpm이상으로 증가하지 않을 경우는 모터를 정지시킨 후
Encoder의 A상과 B상을 바꾸어 결선하십시요. 이때 경우3의 현상이 일어나지
않는가 검사해 보십시요.
4. 벡터 인버터로 운전하는데 모터가 속도를 추정하지만 반대방향으로 회전합니다.
1) 인버터의 V상과 W상의 출력을 서로 바꾸어 결선하십시요. 또한 동시에 A상과 B상의 엔코더 결선도 마찬가지로 다시 바꾸어 주십시요.
극수변환모터
Pole change motor(6/8 pol.. : 네이버블로그
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2015-10-02 오전 6:00 - 화면 캡처
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thermogaurd
A. 권선온도 보호장치에는 THERMOSTAT(THERMOCOUPLE), THERMISTOR, R.T.D(Resistanec Temperature Detector) 등이 있으며 이것들을 총칭해서 THERMOGUARD라 한다.
1. 기종별 원리 및 사용법
(1) THERMOSTAT
Bimetal의 원리를 이용하여 권선의 온도가 일정한 값 이상일때 회로가 열리게 하는 부품임.3상에서 서로 직결로 연결한다.
(2) THERMISTOR
권선의 온도가 상승함에 따라 소자의 저항변화가 거의 없으나 일정한 값 이상에서는 저항의 값 변화가 급격히 증가(P.T.C), 또는 감소(N.T.C)하는 특성을 갖고 있다. 이러한 THERMISTOR는 통상 Relay Unit에 의하여 주회로를 차단하는데 쓰인다.
(3) R.T.D (Resistanec Temperature Detector)
권선의 온도 변화에 따라 소자(일반적으로 백금선을 이용)의 저항이 비례적으로 증감되는 특성을 갖고 있다. 이러한 특성을 이용하여 즉 일정한 전압을 소자에 가한 경우 권선 온도의 상승에 따라 저항 증가로 인하여 전류가 감소하게 된다. 이러한 전류의 감소는 Setting 값 이하에서는 Relay의 Holding을 상실하므로 이 순간 주 회로의 통제가 가능하다. 인가되는 전압의 양 및 Relay의 선정은 R.T.D의 특성에 의하여 얻을 수 있다.
※ 상기 3기종은 권선의 온도 상승에 대한 보호기능으로서는 모두 같은 기능을 하며 특히 THERMOSTAT 와 THERMISTOR의 동작원리는 더욱 유사하다. 다만 THERMOSTAT는 별도의 sequence 회로를 구성해야 하며, THERMISTOR는 Relay와의 조합으로 사용이 간편 하다. 사용장소에 대한 구분은 R.T.D는 충격 및 굴곡성에 매우 약하므로 저압 코일에서는 사용이 용이 하지 않으며 고압의 경우에는 권선의 층간에 취부하여 사용할 수 있다.
※ SPACE HEATER
옥외에 설치되는 개방형 고압전동기에 많이 설치되는 보호장치이다. 오랫동안 전동기를 운전하지 않을 때 습기가 차는 것을 방지하고, 전동기 운전 몇 시간 전에 히터를 가동하여 습기를 제거시키고 운전에 들어가면 된다. 전동기 운전중에는 HEATER 를 가동시켜서는 안 된다.
(1) SPACE HEATER의 표준 출력 및 전압
|
Fr NO. |
용량(W) |
Fr NO. |
용량(W) |
Fr NO. |
용량(W) |
Fr NO. |
용량(W) |
전압(V) |
|
80~160 |
15~40 |
250 |
120 |
430 |
400 |
710 |
800 |
100~110
200~220 |
|
180 |
40 |
280 |
160 |
500 |
400 |
800 |
800 |
|
|
200 |
60 |
330 |
200 |
560 |
600 |
900 |
1,000 |
|
|
225 |
80 |
380 |
200 |
630 |
600 |
1,000 |
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