배관보온의 개요, 열이송 시스템

1. 개요

○ 열공급 및 열수송 배관, 스팀헤더, 응축수 탱크 등은 내부에 많은 열량을 보유한 증기나
고온의 응축수를 내포하고 있으므로 이러한 설비에 대한 보온의 중요성은 열손실 방지
는 물론 열이용 합리화의 기본 사항이라 할 수 있다.

○ 열수송관을 비롯한 고온 물체의 표면은 대류와 복사에 의해 열손실을 일으키는 데 복사
에 따른 열손실율은 표면온도가 높아짐에 따라 절대온도의 4승에 비례하여 증가함은 물
론 대류도 촉진되므로 보온의 중요성을 인식하여야 한다.

○ 따라서, 트랩이 정상적으로 작동 될 때에는 비산증기의 손실도 감소 될 뿐만 아니라 응
축수 회수관 및 응축수탱크 보온도 가능하므로 응축수 회수관 및 응축수 탱크의 보온을
하며 밸브 등의 경우 착탈식 보온 카바로 보온을 하여 이상시 즉시 분해조립이 가능하
도록 하여야 한다.

○ 또한 미보온 부위의 방열손실을 방지하기 위해서는 열손실이 낮은 유리면, 암면 등의 단
열재로 보온해야 하며 배관 및 밸브류의 보온 두께는 경제적인 측면도 고려해야 하므로
다음 표를 참조하기 바란다.

 

 

 

2. 보온재 종류

○ 사용하는 보온재의 선정은 KS F 2803:2013보온 보랭 공사의 시공 표준 보온 보랭 공사
에 사용하는 보온 보랭재의 종류 선택 및 KS F 2803:2013보온 보랭 공사의 시공 표준
보온 보랭 공사에 사용하는 보온 보랭재를 따르며, 안전성과 시공성을 고려하여 최적의
것을 선택한다.

○ 사용 온도의 범위는 보온재에 각각의 사용 온도가 표시되어 있지만 이것은 일정 조건에
서의 값이며 보온재에 따라 장기 안정성이 다르므로 주의한다.

 

 

 

1) 인조 광물 섬유 보온재

- 인조 광물 섬유 보온재는 일반적으로 약 180°C 이상에서는 바인더가 분해되기 시작하
고 모양을 유지할 수 없게 되는 경우가 있다.
- 모양을 유지할 필요가 있는 경우에는 변형 방지 보강을 하거나 또는 금속 그물, 철망
등으로 보강한 제품을 사용한다.

- 바인더를 사용하고 있는 제품은 시공 후 초기 단계의 가열(약 180°C 이상)만으로 발화
하는 경우가 있기 때문에 옥내에서 사용할 때에는 특히 주의한다.

2) 무기물 다공질 보온재

- 최고 사용 온도는 일반적으로 규산칼슘 제품은 약 1,000°C이고 발수성 펄라이트 제품
은 약 900°C이다.
- 발수성을 갖는 무기물 다공질 보온재에 사용하고 있는 발수제는 200°C∼250°C에서 분
해하기 때문에 발수성은 그 이상의 온도에서는 유지할 수 없다.

3) 발포 폴리스티렌 보온재

- 발포 폴리스티렌 보온재는 약 70°C 이상에서 변형이 커지는 타입도 있기 때문에 시공
방법에서 특별히 주의한다.

4) 암면

○ 규산칼슘게의 광석을 1,500~1,700℃의 고열로 액화시켜 고속회전공법으로 만든 순수한
무기질 섬유이다.

① 사용온도범위 : -25~600℃로 고온에 뛰어나다.
② 단열성 : 원료자체가 무기질(광석)이므로 불에 타지 않으며 보온단열재 중에서 사용범위
와 최고 안전 ,사용온도가 가장 높아 건축용 , 산업용은 물론 내화피복재, 내화구조물 등
에 사용된다.
③ 불연성 : 단위체적당 섬유의 양이 많아 이상적인 단영공기층을 형성한다.
④ 흡음성 : 암면은 음을 흡습해주는 독특하고 무수한 연속기공을 갖고 있어 흡음성능이 탁
월하다.
⑤ 발수성 : 섬유의 표면이 특수 코팅되어있어 습기를 거의 흡수하지 않으며 수분에 강하다.
⑥ 내구, 내후성 : 암면은 화학적으로 안정된 무기질 재료이기 때문에 산, 알카리 등 화학약
품에 강하며 풍화작용에 의한 열화현상이 없어 부패 또는 변질되지 않아 반영구적이다.
⑦ 시공성 : 가볍고 탄력성이 좋아 칼, 톱 등 보통공구로 쉽게 재단할 수 있어 어떠한 용도
와 장소에도 시공이 용이하다.

5) 그라스울

○ 순수한 유리원석을 고속 원심분리공법으로 만들어 섬유굵기가 4~6μ으로 가늘고 균일하
여 비섬유질이 전혀 없고 많은 양이 섬세하게 집면되어 있다.

 

① 사용온도 범위 : -25~300℃로 고온에 용이하다.
② 단열성 : 많은 양이 섬세하게 집면되어있어 다량의 공기를 포함하고 있어 시멘트 ,콘크
리트의 40배 흙벽의 12배정도 보온단열 효과가 있다.
③ 불연성 : 순수한 무기질 섬유제로 불에 타지 않는다.
④ 시공성 : 유연하고 경량이며 부드러워서 작업성이 매우 좋으나 칼이나, 가위 등으로 쉽
게 절단되므로 어떠한 장소, 형태에서도 시공이 용이하며 섬유길이가 길어 압축, 복원력
이 뛰어나 운반, 보관, 취급이 용이하다.

6) 실리카

○ 시리카(Silica) 보온재는 규조토와 소석회 그리고 보강섬유를 첨가하여 고압 증기양생
(High Presure Steam Curing)시켜 얻어진 결정형(Tobermorite)의 칼슘실리케이트 이다.

① 사용온도 범위 : 내열도가 높아서 650℃까지도 사용이 가능하다.
② 단열성 : 미세한 기공으로 구성되어 고온에서도 낮은 전도율 (0.047) 특성으로 단열 효과
가 우수하다.
③ 내열성 : 안정한 결정구조로 되어있어 내열성이 우수하며 고온에서 장기간 사용하여도
거의 변형이 없다.
④ 불연성 : 무기질 단열재이며 완전 불연성이다.
⑤ 시공성 : 가볍고 견고하여 시공이 용이하지만 알루미늄판 또는 함석, 스테인레스판, 마스
틱 등의 마감재/보강재를 사용하여 마무리하여야 한다.

7) 세라믹화이버

○ 초고온 단열재 및 내화재로 쓰이는 소재로서 발전소, 선박, 각종 로(Furnace) 등에 적용
되고 있습니다.
- 석면이 들어있지 않다
- 열전도성이 낮다. 내화벽돌의 약 1/3 정도이며, 석면 제품보다도 열전도성이 낮고 단열
성이 우수하다.
- 밀도가 낮아 축열량이 적다. 축열량이 적기 때문에 로(화로)의 가열 및 냉각시간이 단축
되고, 연료가 절감된다.
- 가볍다. 단열내화 벽돌의 약 1/6의 중량이면 석면판 무게의 약 1/3이다. 세라믹 화이버
를 사용하면 설비가 더욱 가벼워지고 설비의 구조가 간단해져서 취급이 용이해지며, 시
간과 원가를 절감할 수 있다.

열 충격에 대한 저항력이 강하다. 아무리 빨리 가열 혹은 냉각시켜도 제품 형태가 손상되
지 않는다.

8) 에어로겔

○ 에어로젤(Aerogel)은 공기를 뜻하는 에어와 고체화된 액체를 의미하는 젤의 합성어이다.
에어로젤은 현존하는 고체 중에서 가장 가볍고 낮은 밀도를 지니는 고체이다.
○ 에어로젤 제조 : 상용화 될 수 있는 에어로젤 제조 방법으로는 금속 알콕사이드인 알콕
시실래인, 즉 Tetramethoxysilane(TMOS)와 Tetraethoxy-silane(TEOS) 알콕사이드
(Alkoxide)와 물유리(Waterglass)를 원료로 하여 만들어진다. 물유리 방법이 가장 저렴하
다
○ 액체 형태인 알콕사이드 혼합 원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣고 얼마가 시간을
유지하면 묵과 같은 젤형태의 알코올젤이 된다. 알코올젤을 건조용기에 넣고 고온, 고압
상태에서 초임계유체(초임계이산화탄소)를 흘리면 알코올이 들어있던 자리에 초임계이산
화탄소가 들어간다
○ 이때, 초임계유체를 흘리는 이유는 부피 변화를 없애기 위해서인데 고체에 묻어 있던 액
체가 기체로 변하면서 표면장력의 차이 때문에 부피가 변하기 때문이다. 부피의 변화는
제품의 손상을 의미한다. 초임계 이산화탄소의 경우 표면장력이 거의 제로에 가까워 제
품에 손상을 주지 않는다. 건조용기에서 액체 상태인 알코올 자리를 초임계 이산화탄소
가 대체하고 나면 온도와 압력을 서서히 낮춰 상온, 상압으로 만든다. 이때, 알코올젤을
꺼내면 이산화탄소 자리에 대기 중의 공기가 유입되고 기체가 98%를 차지하는 고체인
에어로젤이 탄생하게 된다.
○ 에어로젤 제품의 특성
– 극히 낮은 열전도율 : 단열성 우수(0.01w/mk이하) 기존 단열재의 3배 이상
– 우수한 방음성
– 높은 충격 완충성
– 매우 높은 기공도(보통 95% 이상, 99.9%까지 가능)
– 초경량 : 공기 무게의 3배(보통 0.003~0.8g/cm2 정도의 밀도)
– 고 비표면적(최대 2000m2/g가능)
– 고온에서 열처리시 구조적 안정성, 내열성
– 구조적 안정성
– 친환경성

 

 

3. 시공두께의 산출

○ 시공 두께의 산출은 설계 조건에 따라 산출 방법이 다르고, 요구되는 시공 두께도 다르
다. 또한 설계조건 검토 시 에너지 절약(지구 온난화 방지, CO2 감소 등)을 고려하지 않
으면 안 된다.
a) 방산 열량으로부터 보온재의 두께 산출 방산 열량이 정해진 값 이하로 하며, 두께 계
산은 열전달 계산식1)에 의한다.
b) 화상 방지 등 표면 온도가 정해져 있는 경우 보온재의 두께 산출 보온재의 표면 온도
가 정해진 온도 이하로 하며, 두께 계산은 열전달 계산식에 의한다.
c) 보랭 공사에 사용하는 보랭재의 두께 산출 보랭 시공 후 표면에 결로가 생기지 않는
것을 조건으로 하며, 두께 계산은 열전달 계산식에 의한다. 다만, 침입 열량이 조건에
있는 경우에는 침입 열량이 규정이하로 되는 두께와 표면에 결로가 생기지 않는 표면
온도로 하기 위한 두께 중 큰 두께를 채택한다.
d) 방로 공사에 사용하는 방로재의 두께 산출 방로 공사 후 표면에 결로가 생기지 않는
것을 조건으로 하고, 두께 계산은 열전달 계산식1)에 의한다.
e) 경제적인 보온재의 두께 산출 보온 시공에 필요한 비용과 열 손실로부터 생기는 연비
증대와의 균형을 고려한 것을 경제적인 보온 두께로 한다. 두께 계산은 열전달 계산식
에 의한다.
f) 배관 수송 유체의 온도 변화를 작게 하기 위한 보온재의 두께 산출 두께 계산은 5.4에
의한다.
g) 배관·기기·용기에서 일정 시간 동안 온도 변화를 작게 하기 위한 보온재의 두께 산출
두께 계산은 5.42)배관, 기기, 용기의 온도 변화 계산에 의한다.
h) 관내 수의 동결 방지를 위한 보온재의 두께 산출 두께 계산은 5.53)에 의한다.
i) 건축물(단독 주택은 제외)의 공기 조화 설비 및 급배수 위생 설비에 사용하는 보온·보
랭·방로재의 두께 산출 두께 계산은 열전달 계산식1)에 의한다. 냉온수관 등의 보온과
보랭을 병행한 경우는 두 가지의 두께 중 큰 두께를 채택한다. 다만, 보온 공사에 사용
한 보온재의 경제적인 두께 및 방산 열량을 구하는 경우는 5.34)경제적인 보온 두께의
계산식에 의한다.

 

 

5. 방열손실 증가인 경우

○ 방열손실이 증가하는 원인은 많지만 보온을 처음 시공한 상태에서 보온재의 파손은 없
다고 가정 할 때 방열이 증가할 수 있는 가능성이 있는 부분은 다음과 같다.
- 보온재의 시공이 잘못된 경우로 보온재의 표면온도로 가늠할 수 있다.
- 보온재의 열전도율이 제시된 값과 상이한 경우
- 보온재의 두께가 잘못 선정된 경우
- 배관 지지용슈에 의한 방열손실이 큰 경우

○ 보온재가 방열손실이 많도록 시공된 경우.
- 시공 편의를 위하여 보온재 시공시 이음매 부분이 상부로 향하도록 시공
⑴ 이 경우 열의 확산이 측면이나 하부보다는 상부로 더 잘되어 측면에 비하여 약
1.3배의 열손실이 크다
⑵ 상부에 이음매가 있는 경우 틈새를 통한 방열손실값이 크게 나타나는 경우도 있다.
⑶ 효율적인 보온 효과를 위해 이음매 부분이 측면이 되도록 시공하여야 한다.

 

- 보온재의 이음매가 직선으로 연결되어 있다.
⑴ 보온재 연장 시공시 이음부가 맞대기 이음식으로 로 연결되어 있으면 틈새를 통한
열 손실이 증가할 수 있다.
⑵ 실제로 오래된 부위의 보온커버 내부를 확인하면 이음매부분에 열에 의한 갈변 현
상이 발생된 것을 확인할 수 있다.
⑶ 효율적인 보온효과를 위해서는 이음매 부분을 서로 겹치게 하여 직선으로 연결되
지 않도록 해야 한다.
① 석면 보온재의 경우 이음매 부분을 계단형으로 연결하도록 한다.
② 이 부분의 연결부위도 겹치도록 시공한다.
③ 유리솜의 경우 2겹으로 시공하여 1겹은 이음매가 상부로 향하더라도 2번째층은
이음가 측면이 되도록 시공한다.

 

 

6. 개선사례

가. 개선 전

○ OO사는 1988년 12월에 OO보일러 노통연관식 1.5t/h 1대를 설치하여 가동 중에 있으며,
열사용 설비 중 메인헤더 스팀라인 밸브 및 응축수 탱크 등이 미보온 상태로 운전되고
있어 방열손실이 크게 운전되고 있다.

 

 

<표 1> 미보온 밸브의 면적

 

<표 2> 미보온 응축수 탱크의 면적

 

나. 개선 후

○ 앞에서 언급한 바와 같이 보일러 주 증기 밸브 및 열사용 설비 라인의 공급 스팀배관
및 응축수 탱크 등이 미보온 상태로 운전되고 있어 방열손실이 크게 운전되고 있다.
○ 보온은 에너지 관리에 있어서 기본사항으로 미보온으로 인한 방열손실은 에너지 손실뿐
만 아니라 생산제품의 품질에 손상 등을 초래할 수 있다.
○ 또한 열사용 설비에 있어서도 열전달 효율 저하로 인한 제품의 불균일 등에 의한 품질
불량 등의 영향을 초래할 수 있다. 당사의 경우 미보온 부위에 대해 보온시공을 실시하
여 설비 및 보온표면온도를 40℃ 이하로 낮추어 방열손실을 줄여야 할 것이다.
○ 아래 그림은 각종 밸브의 보온시공법으로 밸브 보온 시는 탈부착이 가능한 보온방법을
채택하여 시공하는 것이 좋다.

 

<표 3> 스팀밸브 표면적의 개략치

 

 

<표 4> 기대효과 종합

※ 제시된 절감량 계산방법은 해당 절감기법의 효과를 파악하는 개략적인 방법이며, 제시된 수치는 공식적으로 검증된 것이 아닌, 참고사항임

 

 

 

 

참고문헌
1. 한국에너지공단, 보일러_에너지절약_Guide, 2014
2. 한국에너지공단, 배관,
3. 산업통상자원부 기술표준원, KS F 2803:2013보온 보랭 공사의 시공 표준

 

 

 

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