KR101187918B1 - 증기 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증기 이용 설비로 증기를 공급하기 위한 증기 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공기 장치는, 액체로부터 증기를 생성하는 증발기와, 상기 증발기에서 유출된 증기를 압축시키는 압축 유니트와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 압축 유니트의 유입구로 유입시킬 수 있는 제1유로와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 증발기로 유입시킬 수 있는 제2유로와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 증기 이용 설비로 유출시킬 수 있는 제3유로와, 상기 제1유로를 개폐시킬 수 있는 제1밸브와, 상기 제2유로를 개폐시킬 수 있는 제2밸브를 구비한다.

Description

증기 공급 장치{Apparatus for supplying steam}
본 발명은 증기를 사용하는 장치에 증기를 공급하기 위한 증기 공급 장치에 관련된 것이다.
각종의 화학 프로세스, 음식물의 조리 또는 특정 물체의 살균 소독 등에 사용되는 고온 고압의 증기를 생성하는 증기 공급 장치가 알려져 있다. 이러한 증기 공급 장치는 물을 증발시켜 증기를 생성한 다음, 이를 압축기로 압축하여 증기 이용 설비로 공급하기도 한다.
그런데 이와 같이 증기를 압축하여 증기 이용 설비로 공급하는 증기 공급 장치의 경우, 증발기에서 생성되는 증기의 유량이 압축기의 최적 동작 유량에 비해서 작은 경우가 많다. 이와 같이 증발기에서 가열되어 생성되는 증기의 유량이 충분하지 못한 경우에는 압축기의 압축 효율이 현저히 낮아지게 되어, 증기 공급 장치의 전체적인 효율을 현격히 떨어뜨리기도 한다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 증기 공급 장치는, 증발기에서 가열되어 생성되는 증기의 유량이 압축기의 효율적 작동을 위한 유량에 미치지 못하는 경우에도, 압축 유니트의 압축 효율을 효과적으로 유지할 수 있는 증기 공급 장치를 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치는, 액체로부터 증기를 생성하는 증발기와, 상기 증발기에서 유출된 증기를 압축시키는 압축 유니트와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 압축 유니트의 유입구로 유입시킬 수 있는 제1유로와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 증발기로 유입시킬 수 있는 제2유로와, 상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 증기 이용 설비로 유출시킬 수 있는 제3유로와, 상기 제1유로를 개폐시킬 수 있는 제1밸브와, 상기 제2유로를 개폐시킬 수 있는 제2밸브를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치에 의하면, 증발기의 가열 용량이 작은 경우에도 압축 유니트의 압축 효율을 효과적으로 유지할 수 있다. 따라서 증기 공급 장치의 전체적인 효율을 효과적으로 상승시킬 수 있다.
또한 본 실시예의 증기 공급 장치는 압축 유니트의 실속을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 증기 공급 장치의 일부 동작 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 증기 공급 장치의 다른 일부 동작 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 증기 공급 장치의 또 다른 일부 동작 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)는, 증발기(100), 압축 유니트(200), 제1유로(300), 제2유로(400), 제3유로(500), 제1밸브(600), 제2밸브(700), 제3밸브(800), 제1냉각기(810,820), 제2냉각기(830), 기액 분리기(910,920,930) 및 제4유로(950)를 구비한다.
증발기(100)는 유입된 액체(W)를 가열하여 증기를 생성한다. 증발기(100)의 내부는 대기압보다 낮은 압력으로 유지될 수 있는데, 이 경우 액체(W)의 끓는점(boiling point)은 대기압 하에서의 끓는점보다 낮아질 수 있다. 이와 같이 액체(W)의 끓는점을 낮추어 주면, 액체(W)의 증발에 필요한 열량을 감소시킬 수 있다. 이하에서는 증발기(100)에 유입되는 액체(W)가 물인 것을 예로 들어 설명한다.
압축 유니트(200)는 증발기(100)에서 유출된 증기, 즉 수증기를 압축시키기 위한 것으로, 원심식 또는 축류식 압축기 등, 다양한 형식의 압축기를 구비할 수 있다. 또한 압축 유니트(200)는 복수의 압축기가 다단으로 연결된 형태로 구성될 수도 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)의 압축 유니트(200)는 다단으로 연결된 3개의 압축기(210,220,230)를 구비함을 알 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 각 압축기(210,220,230)를 최선단으로부터 차례대로 제1압축기(210), 제2압축기(220), 제3압축기(230)라 칭한다.
증발기(100)의 유출구와 압축 유니트(200)의 유입구, 즉 제1압축기(210)의 유입구를 연결하는 유로(150)에는, 증발기(100)의 내부를 감압시킬 수 있는 감압 유로(160)가 연결될 수 있다. 감압 유로(160)에는 증발기(100) 내부의 압력을 떨어뜨릴 수 있도록, 증발기(100) 내부의 공기 또는 수증기를 강제적으로 빼낼 수 있는 감압 펌프(170)가 배치될 수 있다.
제1유로(300)는 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기를 압축 유니트(200)의 유입구로 재유입시킬 수 있도록, 제3압축기(230)의 유출구와 제1압축기(210)의 유입구를 연결한다. 본 실시예에서 제1유로(300)는 제1압축기(210)의 유입구에 연결된 기액 분리기(910)를 거쳐서 제1압축기(210)에 연결된다. 제1유로(300)에는 증기가 압축 유니트(200)의 유입구로부터 압축 유니트(200)의 유출구 방향으로 역류하는 것을 방지하기 위하여 체크 밸브(check valve)(320)가 배치될 수 있다. 또한 제1유로(300)에는, 제1유로(300)가 필요하지 않다고 판단되는 경우에 제1유로(300)를 미리 차단시킬 수 있는 바이패스(bypass) 밸브가 배치될 수도 있다.
제2유로(400)는 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기를 상기 증발기(100)로 유입시킬 수 있도록, 최후단의 압축기, 즉 제3압축기(230)의 유출구와 증발기(100)를 연결한다. 제2유로(400)에는 증기가 증발기(100)로부터 압축 유니트(200)의 유출구 방향으로 역류하는 것을 방지하기 위하여 체크 밸브(410)가 배치될 수 있다.
본 실시예에서 제1유로(300)와 제2유로(400) 각각은 압축 유니트(200)의 유출구에 직접 연결된 유로(550)에 연결됨으로 압축 유니트(200)의 유출구에 연결되는데, 유출구에 직접 연결된 유로(550)에는 증기를 외부 대기로 배출시키기 위한 제1배기 유로(350)가 연결된다. 제1배기 유로(350)는 압축 유니트(200)를 순환하는 증기의 양을 조절하기 위한 것으로, 제1배기 유로(350)의 밸브(352)는 압축 유니트(200)를 순환하는 증기의 양에 따라서 개폐가 제어될 수 있다. 제1배기 유로(350)에는 고온 고압의 증기의 배출에 따른 소음을 감소시킬 수 있도록 소음기(360)가 배치될 수 있다.
제3유로(500)는 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기를 증기 이용 설비(U), 즉 증기를 이용하여 물리·화학적 공정을 수행하는 설비로 유출시킬 수 있도록, 압축 유니트(200)의 유출구와 증기 이용 설비(U)를 연결한다. 제3유로(500)에는 증기 이용 설비(U)로 유입되는 증기의 유량을 계측하기 위한 유량계(520)가 배치될 수 있다.
본 실시예에서 제3유로(500)에는 제2배기 유로(510)가 연결된다. 제2배기 유로(510)는 밸브(512)의 개폐에 따라서 제3유로(500)의 수증기를 외부로 배출시키며, 증기 공급 장치(1)의 작동 조건을 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 제2배기 유로(510)는 압축 유니트(200)의 초기 작동 조건을 조절하는데 사용될 수도 있고, 이용 설비(U)로 증기를 공급하지 않는 경우에 증기 공급 장치(1)의 작동 조건을 계속적으로 유지할 수도 있도록 증기를 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
제1밸브(600)는 제1유로(300) 내의 압축 증기의 흐름을 허용 또는 차단할 수 있도록, 제1유로(300)를 개폐하는 역할을 한다. 즉 제1밸브(600)는 압축 유니트(200)의 유출구에서 압축 유니트(200)의 유입구로 이어지는 압축 증기의 흐름을 허용 또는 차단한다. 제1밸브(600)는 압축 유니트(200)의 유출 증기의 압력이 소정의 압력에 이르면 개방되는 감압 밸브(pressure reducing valve)일 수 있다.
제2밸브(700)는 제2유로(400) 내의 압축 증기의 흐름을 허용 또는 차단할 수 있도록, 제2유로(400)를 개폐하는 역할을 한다. 즉 제2밸브(700)는 압축 유니트(200)의 유출구에서 증발기(100)로 유입구로 이어지는 압축 증기의 흐름을 허용 또는 차단한다. 또한 제2밸브(700)는 제1유로(300)를 흐르는 압축 증기의 유량을 제어할 수 있도록 제2유로(400)의 개방 정도를 조절할 수도 있다. 제2밸브(700)는 전자적으로 제어가 가능한 전자 밸브로 이루어질 수 있다.
제1냉각기(810,820)는 제1 내지 제3압축기(210,220,230)의 사이에 배치되며, 전단의 압축기에서 유출되어 후단의 압축기로 유입되는 압축 증기에 수분을 첨가하여 그 증기를 냉각시키는 역할을 한다. 즉 제1냉각기(810,820)는 제1압축기(210)와 제2압축기(220) 사이, 제2압축기와 제3압축기(230) 사이에 각각 배치되며, 제1압축기(210)에서 압축되어 제2압축기(220)로 유입되는 증기 및 제2압축기(220)에서 압축되어 제3압축기(230)로 유입되는 증기에 수분을 분사하여 냉각시킨다. 제1냉각기(810,820)는 압축 증기에 수분을 분사할 수 있도록 외부로부터 물을 공급받으며, 제1냉각기(810,820)로 유입되는 물의 유로(812,822)에는 유입되는 물의 유량을 제어할 수 있는 밸브(814,824)가 배치된다.
제2냉각기(930)는 제1유로(300)에 배치되며, 제1유로(300)를 지나는 압축 증기에 수분을 첨가하여 그 증기를 냉각시킬 수 있도록 제1유로(300)에 수분을 분사하는 역할을 한다. 제2냉각기(830)는 제1유로(300)의 압축 증기에 수분을 분사할 수 있도록 외부로부터 물을 공급받으며, 제2냉각기(830)로 유입되는 물의 유로(832)에는 유입되는 물의 유량을 제어할 수 있는 밸브(834)가 배치된다.
기액 분리기(Knock out drum)(910,920,930)는 각 압축기(210,220,230)의 유입구 측에 배치되며, 압축기(210,220,230)로 유입되는 증기에서 액체 상태의 물을 분리하는 역할을 한다. 즉 기액 분리기(910,920,930)는 각 압축기(210,220,230)로 유입되는 증기에 포함된 연무 상의 물을 제거함으로써 각 압축기(210,220,230)로 액체 상의 물이 유입되는 것을 억제한다.
제4유로(950)는 기액 분리기(910,920,930)에서 분리되어 배출되는 물을 증발기(100)로 유입시킬 수 있도록, 기액 분리기(910,920,930)와 증발기(100)를 연결한다. 제4유로(950)에는, 기액 분리기(910,920,930)에서 분리된 액체(W)의 수용하기 위한 배출액 저장조(952)와, 배출액 저장조(952)의 물을 증발기(100)로 강제적으로 압송하기 위한 펌프(954)가 배치될 수 있다.
다음으로, 이상에서 설명한 증기 공급 장치(1)의 일부 작동 형태 및 효과에 대해서 설명한다.
증발기(100)로 물을 유입시키고, 이를 가열하여 증기를 생성한다. 이때 증발기(100)의 물이 100 ℃ 이하에서 끓을 수 있도록, 증발기(100)의 내부 압력은 1기압보다 낮게 설정된다. 증발기(100)의 내부 압력을 1기압보다 낮게 설정하기 위하여 감압 펌프(170)로 미리 증발기(100)의 내부 압력을 떨어뜨려 놓을 수 있다.
증발기(100)에서 생성된 증기는 최선단에 위치한 기액 분리기(910)로 유입된다. 기액 분리기(910)에서는 증기 중에 포함된 연무상의 물이 응축되어 증기로부터 분리된다.
기액 분리기(910)를 지나 액체 상의 물이 분리된 증기는 압축 유니트(200)의 제1압축기(210)로 유입된다. 증기는 제1압축기(210)를 지나면서 압력과 온도가 상승하게 된다.
제1압축기(210)에서 유출된 고온 고압의 증기는 제1냉각기(810)를 거치면서 온도가 낮아진다. 제1냉각기(810)는 제1압축기(210)에서 유출된 증기에 그 증기보다 온도가 낮은 수분을 첨가하므로, 제1압축기(210)에서 유출된 증기를 냉각시킴과 동시에 증기의 총량을 증가시킨다. 또한 제1냉각기(810)는 제1압축기(210)에서 유출된 고온의 증기의 온도를 낮추어 줌으로써 열 팽창에 의한 압축 효율의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
제1냉각기(810)를 통과한 증기는 다시 기액 분리기(920)를 거쳐 제2압축기(220)로 유입된다. 제2압축기(220)를 지난 증기는 더욱 고압으로 압축되며, 압축 과정에서 온도가 증가하게 된다. 제2압축기(220)에서 유출된 증기는 제2압축기(220)의 후단에 연결된 제1냉각기(820)에 의해서 냉각된다. 제2압축기(220)에서 유출된 증기가 제1냉각기(820)에 의해 냉각되는 과정에서 증기의 총량은 더욱 증가한다.
제2압축기(220) 및 그 후단에 연결된 제1냉각기(820)를 지난 증기는 기액 분리기(930)를 거쳐 제3압축기(230)로 유입된다. 제3압축기(230)로 유입된 증기는 더욱 압축된다.
한편, 압축 유니트(200)의 압축 효율을 높이기 위해서는 압축 유니트(200)로 유입되는 증기의 유량이 확보되어야 한다. 그러나 증발기(100)에서 생성되는 증기의 유량은 압축 유니트(200)에서 요구되는 증기의 유량에 미치지 못할 수 있다.
이와 같이 증발기(100)에서 생성되는 증기의 유량이 압축 유니트(200)의 효율적인 작동을 위하여 요구되는 유량에 미치지 못할 경우, 제2유로(400)를 개방하켜 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기를 증발기(100)로 유입시킬 수 있다.
도 2는 제1유로(300) 및 제3유로(500)를 차단하고 제2유로(400)를 개방시킨 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제2유로(400)가 개방됨으로써 압축 유니트(200)에서 유출된 고압의 압축 증기는 증발기(100)로 유입된다. 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기는 다단의 압축기를 거치면서 온도가 상승되어 있으므로, 압축 유니트(200)에서 유출된 압축 증기가 증발기(100)로 유입되면 증발기(100)는 더욱 많은 양의 증기를 배출하게 된다. 즉 압축 유니트(200)에서 유출된 증기는 압축 유니트(200)로부터 전달받은 에너지를 보유한 상태로 증발기(100)로 유입되므로, 증발기(100)는 많은 열량을 투입하지 않고도 유출 증기의 유량을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 본 실시예의 증기 공급 장치(1)는 제2유로(400)의 개폐를 제어함으로써, 증발기(100)의 가열 용량이 비교적 작은 경우에도 증발기(100)의 증기 배출량을 압축 유니트(200)의 최적 작동 유량에 맞게 증가시킬 수 있다.
한편, 압축 유니트(200)를 지나는 증기는 제1냉각기(810,820)를 통과하게 되는데 제1냉각기(810,820)는 증기에 수분을 첨가하므로, 압축 유니트(200)를 지나는 증기의 유량을 더욱 증가시키는 역할을 할 수 있다.
또한 기액 분리기(910,920,930)에서 배출되는 물은 펌프(954)에 의해서 다시 증발기(100)로 유입될 수 있는데, 그 물은 고온의 증기가 응축된 것으로서 높은 온도를 가지므로, 증발기(100)에서 많은 열을 흡수하지 않고도 용이하게 증기로 변환될 수 있다.
압축 유니트(200)를 지나는 증기의 유량이 확보되면, 제3밸브(800)를 열어 제3유로(500)를 개방하고 증기 이용 설비(U)로 증기를 공급할 수 있다.
도 3은 제2유로(400) 및 제3유로(500)를 개방한 상태를 개략적으로 도시한 도면으로, 도 3에 도시된 바와 같이 제3유로(500)를 개방하면 압축된 증기를 증기 이용 설비(U)로 공급할 수 있다. 증기 이용 설비(U)로 유입된 증기의 양은 유량계(520)에 의해서 계측될 수 있다.
한편, 압축 유니트(200)의 작동 중에 압축 유니트(200)의 유입구와 유출구 사이의 압력차가 소정의 범위 이상으로 커지거나, 압축 유니트(200)를 지나는 증기의 유량이 소정의 범위 이하로 낮아지는 경우에는 실속(surge)이 발생할 수 있다.
이러한 압축 유니트(200)의 실속을 방지하기 위해서 압축 유니트(200)의 유입구와 유출구의 사이의 압력차를 소정의 범위 이하로 유지하고, 압축 유니트(200)의 유량을 소정의 크기 이상으로 유지할 필요가 있다.
도 4는 제1유로(300)를 개방한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)는, 제1유로(300)의 개폐를 제어함으로써 압축 유니트(200)에서의 실속을 미연에 방지할 수 있다. 즉 제1밸브는, 압축 유니트(200)의 유입구와 유출구 사이의 압력차가 소정의 범위에 도달하면 제1유로(300)를 개방함으로써 압축 유니트(200)의 유입구와 유출구 사이의 압력차를 소정의 범위 이하로 유지시킬 수 있다. 따라서 압축 유니트(200)의 실속이 효과적으로 방지될 수 있다.
제1유로(300)가 개방되면, 제1유로(300)를 지나는 압축 증기는 제2냉각기(830)를 지나면서 냉각되며 동시에 유량도 증가한다.
이상 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 형태로 구체화될 수 있다.
예를 들어 상기의 실시예에서는 압축 유니트(200)가 다단으로 연결된 세 개의 압축기(210,220,230)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 압축 유니트(200)는 다단으로 연결된 두 개 또는 네 개 이상의 압축기를 구비할 수도 있다. 뿐만 아니라 압축 유니트(200)는 하나의 압축기를 구비하는 형태로 구성될 수도 있다.
또한 상기의 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)는 기액 분리기(910,920,930), 제1냉각기(810,820), 제2냉각기(830) 및 제4유로(950)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 증기 공급 장치는 기액 분리기, 제1냉각기, 제2냉각기 및 제4유로를 구비하지 않는 형태로 구성될 수도 있다.
또한 상기의 실시예에 따른 증기 공급 장치(1)의 제1밸브(600)는 감압 밸브인 것으로 설명하였으나, 제1밸브(600)는 전자적으로 제어가 가능한 전자 밸브일 수도 있다. 이 경우 제1밸브(600)는 압축 유니트(200)의 실속을 방지할 수 있도록, 압축 유니트(200)의 유출구의 압력 및 유량에 따라서 제1유로(300)의 개폐를 조절하는 형태로 제어될 수도 있다.
또한 상술한 실시예의 증기 공급 장치(1)는 물을 증발시킨 수증기를 증기 이용 설비(U)에 공급하는 것으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 증기 공급 장치는 물 이외의 액체를 증발시켜 그 증기를 증기 이용 설비(U)에 공급하는 것일 수도 있다.
이외에도 본 발명에 따른 증기 공급 장치는 다양한 형태로 구체화될 수 있음은 물론이다.
1 ... 증기 공급 장치
100 ... 증발기
200 ... 압축 유니트
300 ... 제1유로
400 ... 제2유로
500 ... 제3유로
600 ... 제1밸브
700 ... 제2밸브
800 ... 제3밸브
910,920,930 ... 기액 분리기
950 ... 제4유로
U ... 증기 이용 설비

Claims (7)

  1. 액체로부터 증기를 생성하는 증발기와,
    상기 증발기에서 유출된 증기를 압축시키는 압축 유니트와,
    상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 압축 유니트의 유입구로 유입시킬 수 있는 제1유로와,
    상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 상기 증발기로 유입시킬 수 있는 제2유로와,
    상기 압축 유니트에서 유출된 증기를 증기 이용 설비로 유출시킬 수 있는 제3유로와,
    상기 제1유로를 개폐시킬 수 있는 제1밸브와,
    상기 제2유로를 개폐시킬 수 있는 제2밸브를 구비하는 증기 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3유로를 개폐시킬 수 있는 제3밸브를 더 구비하는 증기 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축 유니트는,
    다단으로 연결된 복수 개로 압축기를 구비하는 증기 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압축기들 사이에 배치되며, 전단의 압축기에서 유출되어 후단의 압축기로 유입되는 증기에 상기 액체를 첨가하여 상기 증기를 냉각시키는 제1냉각기를 더 구비하는 증기 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1유로를 지나는 증기에 상기 액체를 첨가하여 상기 증기를 냉각시키는 제2냉각기를 더 구비하는 증기 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축 유니트로 유입되는 증기에 포함된 액체를 분리하여 배출시키는 기액 분리기를 더 구비하는 증기 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기액 분리기에서 배출된 액체를 상기 증발기로 유입시키는 제4유로를 더 구비하는 증기 공급 장치.
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