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글쓴이	운영자	날짜	2015-03-25
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제 목 : 고온 증기 배관 지지대 단열에 관한 연구
고온 증기 배관 지지대 단열에 관한 연구 {A study for insulation method of High temperature Steam piping} By RYU-CHANG MYONG (류창명) PROFESSIONAL ENGINEER IN MECHANICAL (건설기계기술사/산업기계설비기술사) AND PES ENGINEERING (피이에스기술사사무소 대표) MECHANICAL ENGINEERING CONSULTATION ADVISER/FOUNDER http://www.pes21.com wine@pes21.com info@pes21.com +82-10-7515-3761 초록본 최초 작성일자 : 2015년 03월01일 최종 수정일자 : 2015년 04월01일 --- 목 차--- 요 약 1. 열전도의 메카니즘과 열전달의 이해 2. 고온 증기 배관의 방열 손실 3. 배관 단열재 두께에 따른 표면 온도 4. 배관지지대 단열재 물성치 5. 배관지지대 단열 방안 결 론 저자 소개 요 약 열, 증기 배관계에서 필수적으로 사용되는 배관의 지지대(SUPPORT)는 배관과의 직접 접촉으로 인한 배관 내부의 열을 대기로 발산시켜 방열 손실이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 방열 손실은 배관 내부의 고온의 증기가 응축되어 스팀트랩으로 응축수와 함께 증기가 대기로 누출되어 결국 증기 배관망의 열 손실을 초래하게 된다. 따라서, 이러한 배관 지지대로 인하여 배관 내부의 열이 외부로 전도되어 발생하는 방열 손실을 고찰하고 이에 대한 배관 지지대의 단열 방안에 관하여 연구한 것이다. 주제어 : 배관망 열손실, 배관 단열재, 배관 보온재, 배관 방열 손실, 테프론, 칼슘 실리케이트 ABSTRACT: This paper shows that the method of piping insulation over piping support that is one of the cause of piping heat loss for high temperature steam piping line. Normally nothing insulation is between piping and its support where induced heat conduction loss. Also, this paper study the most feasible method considering economical material selection against the cost of heat loss due to uninsulated piping support. 1. 열전도의 메카니즘과 열전달의 이해 물질의 열전도 메카니즘은 물질에 온도차가 발생하면 원자의 진동으로 이웃하는 원자에게 진동을 전달하여 열전도가 일어나는 원리이다. 이것을 수치로 나타낸 것을 열전도도라고 하는데 단위 온도차와 길이에 대한 열량의 정도를 나타낸다. 금속의 열전도와 전기전도의 메카니즘은 비슷하며 전기 전도는 전위 차이로 인하여 원자 주변의 자유 전자가 이동하는 것으로서 금속의 열전도도와 전기전도도 사이에는 비례관계가 있다는 것을 비데만-프란츠 법칙이라고 한다. 즉, 열전도의 메커니즘은 내부 진동 에너지의 전달이라고 말할 수 있다. 열의 이동에 따른 거동을 살펴보면 열진동은 하나의 파장을 형성하는데 이때의 파장은 물질 고유의 파장과 이웃하는 물질과의 공진이 발생하여 물질 구성분에 따라 열전도율이 다르게 나타나는 현상으로 볼 수 있다. 이것은 열 또한 관성력이 존재하며 이를 열 관성이라고 하는데 열전도율의 제곱을 열확산계수로 나눈 값으로 나타낸다. 즉, 열 관성=열전도율^2/열확산계수 (열확산계수=열전도율/밀도비열), 물질 내부의 열의 전달은 “단위면적시간온도차이”에 대한 열량으로 나타내며, 흔히 열전달에는 다음과 같이 복사, 전도, 대류 3 가지의 형태로 열이 전달된다. 즉, 1) 열복사(Radiation)는 q1=δA(T1-T2)^4 (스테판-볼츠만 상수 : 4.8810-^8 Kcal/m^2.h.k^4, 기체상수(8.3110^7 erg/mol.k)를 아보가드로수(6.0210^23=Cp-Cv)로 나눈 값임)이며, 모든 물체는 표면 절대 온도 4승에 비례하는 열선을 방출하며 열전도에서 유일하게 열전도 매체가 없는 상태에서 순간적으로 열전달이 일어나는 형태이며 전체 열 전도의 60% 이상을 차지한다. 2) 열전도(Conduction)는 q2=kA(T1-T2)/L (k : 열전도계수(Kcal/m.h.oC), 3) 열대류(Convection), q3=H.A(T1-T2), (H : 열대류계수) 또한, 이러한 열전달의 3 가지 형태 이외에도 유체와 고체 사이에서의 열전달을 해석하는데 있어서는 다음과 같은 무차원 수를 사용한다. 1) 그라쉬오프 수 : 유체의 자연 대류를 해석하기 위한 목적으로 열전달 경계층에서 유체의 점성력에 대한 부력의 정도를 나타낸다. (부력/점성력) 2) 프란틀 수 : 레이놀즈수와 같이 유체의 강제 대류를 해석하기 위한 목적이며 운동량 확산계수를 열확산계수로 나눈 값이다. (운동량확산계수/열확산계수) 3) 테일리 수 : 유체의 열대류 발생 여부를 판단하기 위한 목적으로 사용되며 점성 유체를 가열하면 유체의 온도 구배 차이에 따라 대류가 발생한다. 4) 스트턴트 수 : 열량을 비열과, 면적, 속도, 온도 차이로 나눈 값이다. 5) 누셀트 수 : 유체와 고체 사이의 열을 주고 받는 비율을 나타내는 수로 나타낸다. 이상과 같이 열전달의 함수 관계는 매우 복잡하며, 이러한 열전달 요소를 하나의 값으로 환산하여 나타내는 것을 총괄 열전달계수라고 한다. 특히, 유체와 고체사이에 온도 차이가 있을 때 열전도 및 열대류에 의한 열 교환이 일어나는데 이 때 전열 속도는 전열면적, 온도 차이에 비례하는데 이 비례 상수를 경막전열계수라고 하며, 이 값은 유체의 흐름에 따라 다르게 나타난다. 2. 고온 증기 배관의 방열 손실 일반 배관망으로 사용되는 탄소강 기준으로 열전도율을 62 Kcal/m.h.oC 이라 할 때 고온의 증기 배관망으로 통한 금속간의 열달율은 열전도율을 전도 길이(m)로 나눈 값이 열전달계수(열관류율)이 된다. 즉, 배관 지지대의 높이를 0.2m 기준으로 할 때 이 때의 열전달율은 310 Kcal/m^2.h.oC (62 Kcal/m.h.oC / 0.2m = 310 Kcal/m^2.h.oC)가 되며, 배관 내부의 증기 온도와 대기의 상온 기준으로 온도 차이가 200 oC 일 때, 단위 면적당, 시간당 62,000 Kcal(310 Kcal/m^2.h.oC * 200 oC=62,000 Kcal/m^2.h) 의 열이 전달된다고 볼 수 있다. 즉, 배관 지지대의 단면적을 0.005m^2(두께 10mm, 폭 500mm 기준)으로 할 때 이 때 전달되는 열량은 시간 당 310 Kcal/h(62,000 Kcal/m^2.h0.005m^2.h)가 배관 지지대를 통하여 열전도가 발생하여 대기로 방열 되는 것이다. 이는 1 Kwh=860 Kcal라고 할 때, 1일 기준 배관 지지대 1 개 기준으로 총 손실 열량은 7,440 Kcal, 이를 전력으로 다시 환산하면 8.6 Kw가 손실되며, 금액으로 8.6 Kw 150원/Kw = 1,290원이 손실된다. 만일, 증기 배관망의 길이가 1000 m(배관 지지대 수 : 300 개) 라고 한다면, 1일 평균 총 손실 금액은 387,000원이 손실 된다고 볼 수 있다. 3. 배관 단열재 두께에 따른 표면 온도 종래에 보온재로 흔히 사용되었던 칼슘실리케이트 단열재 기준 및 배관 구경 500mm 기준으로 단열재의 두께에 따른 표면 온도를 계산하면 다음의 그림과 같으며 그 결과는 (도표-1) 보온재 45mm 기준에서 표면 온도는 54.7 oC를 나타나고, (도표-2) 보온재 20mm 기준에서는 표면 온도 76 oC, (도표-3) 보온재 10mm 기준에서는 표면 온도 104 oC로 각각 나타난다. (도표-1) (도표-2) (도표-3) 이는 다음 장에서 고찰되는 배관 외부에 설치되는 보온재 패드를 설치할 경우 해당되는 표면 온도를 계산하여 보온재 패드의 사용 적합성을 고찰하기 위함이다. 4. 배관지지대 단열재 물성치 다음은 고온 증기 배관과 배관 지지대와의 접촉에 따른 단열재로 검토되는 고분자 불소 수지(테프론)에 대한 물성치를 나타내는 도표이다. (도표-4) 배관 지지대 금속 물성치 (도표-5) 배관 지지대 패드용 테프론 물성치 고분자불소수지인 테프론, (PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene)의 물리적인 특성으로서 높은 내열성(-260 oC ~ 300 oC)과 내부식성, 불연성, 내마모성, 콘크리트에 버금가는 높은 압축강도(240 kgf/cm^2) 및 높은 단열성(금속의 1/45 수준, 6.0 BTU/hr/ft^2/oF/in) 그리고, 우수한 비 점착성으로 인한 낮은 마찰계수(0.1) 등의 물리적인 성질을 이용하여 배관의 섭동 지지대 상하부에도 현재의 금속재 패드 대용으로 사용하여, 상하부의 금속간의 접촉을 비금속 테프론 접촉으로서 열전달을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 배관 지지대의 철구조물 사이에서 섭동 부위의 운동 마찰력을 최소화시켜 원활한 배관 섭동과 방열 손실을 줄일 수 있을 것이라 판단된다. 5. 배관지지대 단열 방안 다음의 (그림-1)에서 도시한 바와 같이, 종래에 사용되는 금속 패드 대신에 (400-1)테프론 패드 상부와, (400-2)테프론 패드 하부, (500)상부 단열 패드를 사용하여 (200) 배관 지지대의 (300) 배관 지지대 하부 구조물 사이에서 상호 비금속 접촉으로 배관의 열전달을 단열할 수 있으며, (100) 배관과 직접 금속 접촉을 하는 (500-1)금속 패드와 하부에 (500-2) 상부 단열 패드(칼슘 실리케이트 20mm), (500-3) 상부 테프론 패드로 구성되고, (200) 배관 지지대와는 (500-4)) 하부 금속 패드로 구성하여 테프론 소재의 높은 단열성을 이용하여 열, 증기 배관의 방열 손실을 최소화 시킬 수 있도록 하였다. (그림-1) 결 론 고온 열, 증기 배관계에서 발생되는 열 손실은 이상에서 언급한 바와 같이 배관계 총 길이 1000m, 배관 구경 500mm 기준으로 연간 총 1억 4천만 원 이상의 방열 손실이 발생하며, 이러한 방열 손실 추정치에서 배관계에 장착된 스팀의 냉각에 따른 응축수를 배출시키는 역할을 하는 스팀트랩에 의한 생증기 누출에 따른 손실 부분은 고려되지 않은 비용이다. 따라서, 현재와 같이 배관과 배관 지지대와의 금속 접촉에 따른 전열 손실은 예상치 보다 크다고 볼 수 있으며, 향후 이러한 손실에 대하여 배관 지지대의 단열 방안은 저비용 고효율의 원칙에 따라 다각적인 방안이 필요하다고 판단된다. --끝-- 원본 자료는 피이에스기술사사무소 홈페이지(http://www.pes21.com) 자료실에서 볼 수 있습니다. http://www.pes21.com/home_56/room_heawon/dataroom.ASP 저자 소개 피이에스기술사사무소 대표 /건설기계기술사/산업기계설비기술사 기계공학 기술사 저자(총 20권) http://www.pes21.com 창원기계공업고등학교 졸업(3회) 경남대학교 기계공학과 졸업(83) - 주요 경력 1991년 ~ 1998년 : 탈기기 및 급수가열기 설계 1999년 ~ 2004년 : 압력용기 및 열교환기 구조설계 2005년 ~ 2006년 : 중저속내연엔진/발전 계통설계 2007년 ~ 현재 : 건설/시공/감리 - 보유 자격 건설기계기술사/산업기계설비기술사 - 주요 연구 논문 1) 배관 플랜지면 부식원인과 대책 방안(영문) 2) 배관 플랜지 가스켓 파손 원인 및 방지책(국문) 3) 지하 매설 배관 열응력에 의한 밸브 손상 거동 해석(영문) 4) 방수 콘테이너 사이폰 누수 현상(영문) 5) 차압식 수직축 적층 풍력 발전기(국문) 6) 철골 양카볼트 묻힘 길이에 관한 고찰(국문) 7) 고장력볼트용 와셔의 최적 설계에 관한 연구(국문) 8) 셀-튜브 열교환기 튜브확관부 피로 수명에 관한 연구(국문) - 주요 개발 안내 2001년 : 탈기기 설계자동화 프로그램 2003년 : 화공열교환기 구조설계 웹프로그램 2005년 : 압력용기/열교환기 견적 자동화 프로그램 2007년 : 무동력 가압 양수 발전기(발명특허 출원 번호 :10-2009-0100012) 2012년 : 하이브리드-자연순환식 수차발전기(발명특허 출원 번호 :10-2012-0143279) 2014년 : 차압식 수직축 적층 풍력타워(발명특허 출원 번호 :10-2014-0019350) 2014년 : 수직부상 다단 양력형 풍력 터빈(발명특허 출원 번호 :10-2014-0018416)

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