열이송 시스템 개요 및 열이송 시스템 구성도

제1장 열이송 시스템 개요

 

제1절 열이송의 개요

○ 냉∙온수, 증기, 응축수, 열매유등 다량의 열을 보유한 유체를 효과적으로 수송하여 열(熱)
을 필요로 하는 사용설비에 공급하고 사용 후 다시 회수하는 것은 배관에 의해 이루어
지며 실제로 가장 적절하게 손실없이 수송하는 데에는 많은 기술적 요인을 사전에 검토
한 후 설치해야 한다.

○ 열이송은 증기나 물(水)을 매체로 하여 석유화학단지나 지역 냉난방 시스템 등에 이용되
고 있다. 물은 우수한 열이송 매체이기는 하지만 장거리 열이송에는 적합하지 않으며,
또한 증발잠열 혹은 온도차에 의한 현열이송이기 때문에 다양한 온도범위에 있는 열을
그 상태로 수송할 수는 없고 적어도 낮은 온도범위까지 품질을 떨어뜨려 수송해야 한다.
그래서 열 이용측은 그 온도에 완전히 좌우되는 문제를 갖고 있다.

○ 열매체를 수송 또는 분배하는 기기 및 그 부속기기로서 열이송관(열원시설 및 열사용시
설 안의 배관을 제외한다)⋅열공급펌프(순환펌프·가압펌프등) 기타 열의 수송 또는 분배
와 관련이 있는 설비를 말한다.

 

 

[그림 1] 집단에너지시설 개념도

 

 

 

 

 

제2절 열이송 종류

 

1. 증기를 이용한 열이송

 

○ 증기는 고온수나 중온수, 열매유 보다는 열을 운반하는 능력이 탁월하며, 전체적인 면에 서 어느 열원보다도 우수한 운영성능을 가지고 있는 열매체이다

 

○ 증기는 압력과 온도가 아주 밀접한 관계를 유지함으로서 이 두가지중의 어느 한 가지만 알면 결정을 할 수가 있다. 열설비에서 부하변동에 따라 증기의 공급을 다른 열매체(고 온수, 열매유) 보다 쉽게 제어가 가능하며, 별도의 부속설비 설치가 많이 발생을 하지 않 아서 비용이 상대적으로 적게 발생을 하는 편으로 제어가 용이하고 설치비가 저렴하다.

 

○ 증기는 고온수나 열매유에 비해 단위 중량당(kg) 보유열량이 크므로 적은 양의 증기로도 충분한 가열 효과를 얻을 수가 있으며, 이 증기의 원료인 물은 어디에서든 쉽게 구할 수 가 있으며 많은 양의 열을 손쉽게 전달을 할 수가 있다. 열량이 많고 배관의관경이 작아 도 되며, 열 운반시에도 배관에 걸리는 하중이 작아 설치비용이 적게 발생하는 편이며, 거리에 관계없이 열매체를 이동시키는 별도의 장비(펌프등)가 필요 없이 증기의 압력차 이로 운송이 가능한 물질이므로 운전비용 유지면에서도 유리하여 배관설치비 및 운전비 용이 저렴하다.

 

○ 증기는 부식성이 없고 인체에 무해하고 과학적 안전성이 우수하고 인화 위험성이 없다.

 

○ 증기는 동력원으로서 이용한 후의 배열(배증기)를 다시 이용할 수 있다.

 

○ 증기배관의 궁극적인 목적은 배관의 한 곳에서 다른 지점으로 요구되는 수요를 만족시 키기 위하여 열을 수송하는 것이다. 증기 배관은 적절한 속도와 적절한 압력강하 내에서 이 역할을 하도록 선정되어야 한다

 

 

2. 물을 이용한 열이송

 

○ 일반적으로 가장 많이 이용되고 있는 현열 축열재는 액체인 물인데, 이것은 물이 밀도는 그다지 크지 않지만 비열이 커서 단위용적 당 축열량이 크며, 특히 쉽게 구할 수 있고 화학적으로 안정된 물질이기 때문에 혹시 누출되더라도 큰 문제가 발생하지 않는다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 그러나 그 이용온도 범위가 0～100℃ 범위로 한정되기 때 문에, 이 외의 온도가 필요한 시스템에서는 사용되기 어렵다는 단점을 갖고 있다.

 

 

 

 

3. 열매체를 이용한 열이송

 

1) 열매유를 이용한 열이송

 

○ 열매(Heat transfer fluid)라 함은 수증기나 물 이외의 유체를 이용한 열교환기를 통하여 공정상의 물질을 간접적으로 가열 또는 냉각 시키는 물질을 말한다.

 

가. 열매의 종류 및 특성 ­

 

- 대부분의 열매는 다환방향족류이며 일부는 실리콘함유 탄화수소 또는 무기염류를 사용 하고 있다.

 

a. 일반적 열매 ­

 

- 사용온도는 150 ℃~300℃ 의 범위이다. ­ 대부분은 정제된 광유 ( Mineral Oil )를 사용한다. ­ 낮은 온도에서는 염화칼슘용액, 글리콜 수용액, 다우썸, 씰섬 등을 사용한다.

 

b. 글리콜 수용액

 

­- 사용온도는 -50℃~180℃ 의 범위이다. ­

용기의 자켓 , 배관 트레이싱 등 2차 냉각 및 가열용으로 주로 사용 65℃ 이상에서는 글리콜이 산화 되므로 밀페계 에서 사용하며, 글리콜의 산화 방지를 위하여 질소를 충 진 하는 것이 바람직하다. ­

- 주로 에틸렌글리콜과 프로필렌글리계가 사용된다. 다만, 식품공업에서는 독성이 있는 에틸렌글리콜 대신 프로필렌글리콜계열을 사용하는 것이 바람직하다. ­

- 열매설비의 재질로는 강철, 연철, 구리, 청동등을 사용하나 한 시스템에서 이종금속을 사용하면 갈바닉 부식 가능성이 있으므로 , 부득이 이종금속을 사용할 경우는 갈바닉 부식이 일어나지 않도록 조치.

 

c. 고온용 열매 ­

 

- 사용온도는 275℃~375℃ 의 범위이나 330℃ 이상에서는 사용한 경우는 드물다.

-­ 고온용 열매는 합성 파라핀, 디아릴알칸 (Diaryl Alkane), 폴리페닐 유도체(Polyphenyl derivatives), 아릴에테르 (Arylether) 디메틸실록산 폴리머 (Dimethyl siloxane polymer ) 등이 있다. ­

- 질산나트륨, 아질산나트륨, 아질산칼륨 등으로 구성된 무기염류는 530℃ 까지 사용할 수 있으나 이러한 열매는 비가연성, 열적안전성, 비휘발성이나 부식성을 가지고 있다.

­- 고온용 열매를 선정 . 사용하는 경우 공급자와 충분히 상의 하는 것이 필요하다.

 

d. 열매의 선정 및 취급

- 비열 및 열전도도가 클것.
- 점도 및 유동점이 낮을 것.
- 증기압이 낮고 비점이 높을 것.
- 인화점 및 자연 발화점이 높을 것.
- 화학적 및 열적으로 안정하고 부식성이 없을 것.
- 가열 및 냉각의 온도 범위가 광범위 할것.
- 공정 물질과 접촉 시 반응을 일으키지 않을 것.
- 공기 및 물과 접촉 시 산화 하거나 반응 하지 않을 것.
- 독성이 없고 환경오염이 적을 것.

 

 

e. 열매 보일러의 설계 및 설치

- 열매 가열시 열매 보일러를 통하여 일정한 유속으로 열매가 흐르도록 하고 이 흐름을
제어함으로서 공정에 투입 되는 에너지 및 온도를 조절하는 제어방식을 적용한다.
- 열매 보일러에서 충분한 열교환이 이루어지고 열매의 정체로 인한 국부 과열현상 (Hot
Spot) 이 생기지 않도록 열매 보일러 튜브를 통해서 유속을 결정한다. 열매의 온도는
열매 생산업자가 명시하는 안전온도를 넘지 않도록 사전에 충분히 열량계산 및 검토를
실시한다.
- 배관의 가장 낮은 위치에 드레인을 설치하여 비상시 저장탱크로 열매가 배출 될 수 있
도록 한다. 저장탱크는 배관 내 전체 열매를 충분히 수용할 수 있는 용량으로 하고 벤
트를 설치한다.
- 열매를 직접 난방용으로 사용하지 않아야 하며, 부득이 난방용으로 사용하고자 할 경우
중앙 열교환기를 통하여 물, 고온 그리콜 또는 스팀을 발생시켜 이를 이용하는 방식을
사용한다.
- 제어실 및 열매 보일러와 가까운 위치에서 주요장치와 밸브의 조작이 모두 가능 하도
록 한다.
- 열매의 사용환경, 온도, 압력과 물성에 따라 연결부의 가스켓 재질, 밸브나 펌프의 패킹
재질을 선정한다.
- 열매가 응고점 이하로 되지 않도록 열매배관의 보온 및 설비 배치를 고려하고, 열매가

장시간 응고점 이하로 방치될 가능성이 있는 경우 열매배관에 보온 및 스팀, 전기 트레
이싱을 실시한다.

- 설비업체의 충분한 조언 없이 스팀보일러를 열매 보일러로 변경하여 사용하지 않는다.
- 유량, 압력 및 온도측정 장치를 설치한다.
- 열매 관련 설비의 재질은 다음을 고려하여 선정한다.
ⓐ 일반적으로 탄소강을 사용하며 저온취성을 고려한다.
ⓑ 알루미늄, 황동 및 청동은 가능하면 사용하지 않는다.
ⓒ 구리 및 구리합금은 공기의 차단이 완벽한 경우에만 사용한다.
ⓓ 오스테나이트 스테인레스강은 염소에 의한 오염의 우려가 있을 경우 사용하지 않
는다.
ⓔ 열매는 비교적 고온에서 사용되므로 패킹 또는 씰 이외에는 합성수지나 합성고무
재질을 사용하는 것은 바람직하지 않다.

 

 

 

제2장 열이송 시스템 구성도

 

 

 

 

참고문헌
1. 한국에너지공단, '보일러 및 압력용기 기술규격(KBI), 2004
2. 한국에너지공단, 에너지관리(박준택), 광역 에너지이용 네트워크 시스템 구축위한 장거리 열이송기술,
2010.8
3. 한국산업안전보건공단, 열매체보일러 기술지침, 2013

 

 

 

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