KR101294710B1 - 히트 트레이스장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 트레이스장치에 관한 것으로, 유체가 유동하는 배관을 따라 감겨 설치되어 스팀헤더와 연결되는 가열관; 상기 스팀헤더에 설치되어 상기 가열관과 연결되며, 상기 스팀헤더로부터 상기 가열관에 공급되는 스팀량을 조절하는 밸브; 및 상기 밸브와 결합되어 상기 밸브와 상기 가열관의 사이에 위치하며, 오리피스홀을 통해 상기 가열관을 개방함으로써 상기 가열관을 대기압 상태로 만드는 오리피스;를 포함한다.

Description

히트 트레이스장치{HEAT TRACING APPARATUS}

본 발명은 히트 트레이스장치에 관한 것으로, 특히 배관을 가열하여 배관을 따라 흐르는 유체를 데우는 히트 트레이스장치에 관한 것이다.

일반적으로, 히트 트레이스장치는 유체가 유동하는 스테인레스강 재질의 히트 트레이스 배관을 구비하고, 배관에는 가는 동관, 즉 가열관이 배관의 길이를 따라 일정 간격을 두고 감기며, 가열관의 일단에는 스팀 트랩이 장착되고, 타단은 스팀발생장치의 스팀헤더에 연결되는 구조로 되어 있다.

이러한 히트 트레이스장치는 스팀 헤더로부터의 스팀이 가열관을 따라 유동하면서 배관을 가열해 배관을 따라 흐르는 유체를 데워 유동성을 유지시켜 주고, 가열관 속의 스팀이 일부 응결하여 생성되는 물은 스탬 트랩을 통해서 외부로 배출한다. 스팀 트랩은 가열관의 말단에 설치되어 스팀이 응결하여 생성되는 물을 드레인한다.

관련 선행기술로는 한국 특허공개공보 제10-2006-0059918호가 있다.

한국 특허공개공보 제10-2006-0059918호

본 발명의 목적은 기존의 트레이스의 스팀트랩이 가열관의 말단에 위치하여 불필요한 열량(에너지)을 말단까지 증기 상태로 유지시킴으로써 발생하는 에너지의 낭비를 줄이고, 스팀트랩의 노후 등에 의한 마모 및 기존의 트레이스관 말단에 설치된 것과 달리 트레이스관 전단에 설치됨으로써 가열관의 내부에서 발생하는 녹에 의한 막힘 고장이 발생하지 않는 히트 트레이스장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유체가 유동하는 배관을 따라 감겨 설치되어 스팀헤더와 연결되는 가열관; 상기 스팀헤더에 설치되어 상기 가열관과 연결되며, 상기 스팀헤더로부터 상기 가열관에 공급되는 스팀량을 조절하는 밸브; 및 상기 밸브와 결합되어 상기 밸브와 상기 가열관의 사이에 위치하며, 오리피스홀을 통해 상기 가열관을 개방함으로써 상기 가열관을 대기압 상태로 만드는 오리피스;를 포함한다.

구체적으로, 상기 오리피스는 상기 밸브에 탈착되게 결합될 수 있다.

상기 오리피스는 상기 밸브에 분리되지 않게 일체로 결합될 수 있다.

상기 오리피스는 상기 밸브의 출구 측에 결합되어 상기 가열관을 개방할 수 있다.

상기 오리피스는 내부에 관통공을 갖는 몸체와, 상기 몸체의 관통공에 삽입 설치되는 상기 오리피스홀을 갖는 오리피스부재로 이루어질 수 있다.

상기 오리피스부재는 일단이 막힌 원통형상을 이루어 그 막힌 일단에 원뿔 형상의 돌기를 돌출 형성하고, 상기 오리피스홀은 상기 돌기를 관통하여 형성될 수 있다.

상기 몸체의 관통공에는 관통홀을 갖는 고정구가 더 삽입 설치되어 상기 오리피스를 고정할 수 있다.

상기 몸체의 관통공에는 상기 오리피스부재와의 사이에 수밀성을 부여하는 패킹이 더 설치될 수 있다.

본 발명에 의해, 에너지의 낭비가 절감됨으로써 상당한 경제적 이득을 얻을 수 있고, 배관을 가열하는 동관, 즉 가열관이 막이는 일이 발생하지 않기 때문에 운영상 트러블(고장)이 발생하는 일이 없다.

도 1은 본 발명의 히트 트레이스장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 표시 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2를 일부 절개하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에서 오리피스를 나타낸 분리 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 히트 트레이스장치를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 히트 트레이스장치는 가열관(10)과, 밸브(20) 및 오리피스(30)를 포함한다.

가열관(10)은 예컨대, 가는 동관으로서 유체가 유동하는 스테인레스강 재질의 배관(1)에 감겨 배관(1)을 가열하며, 열원을 스팀공급원인 스팀발생장치의 스팀헤더(3)로부터 얻는다. 즉, 가열관(10)은 스팀헤더(3)와 연결되어 스팀헤더(3)로부터의 스팀을 배관(1)을 따라 이동시키며 가열하여 배관(1)을 유동하는 유체를 데운다.

밸브(20)는 스팀헤더(3)에 설치되어 가열관(10)과 연결된다. 밸브(20)는 스팀헤더(3)로부터 가열관(10)에 공급되는 스팀량을 조절한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 밸브(20)는 글로브밸브 또는 드로틀 밸브 등을 사용하는 등 그 형태가 한정되지 않는다.

본 발명의 주요부인 오리피스(30)는 밸브(20)와 결합되어 밸브(20)와 가열관(10)의 사이에 위치한다. 즉, 오리피스(30)는 밸브(20)의 출구 측에 결합되어 가열관(10)과 연결됨으로써 밸브(20)와 가열관(10)의 사이에 위치한다.

예컨대, 오리피스(30)는 밸브(20)에 나사 결합되어 탈착되게 설치될 수 있다. 이와 달리, 오리피스(30)는 밸브(20)의 내부에 삽입된 후 링볼트를 조여 일체로 설치될 수 있다. 오리피스(30)는 가열관(10)과도 나사 결합되어 가열관(10)으로부터 탈착되게 설치될 수 있다. 이러한 오리피스(30)는 가열관(10)을 개방함으로써 가열관(10)을 대기압 상태로 만든다.

도 4에 도시된 바와 같이, 오리피스(30)는 내부에 관통공(32)을 갖는 원통형상의 몸체(31)를 구비한다. 몸체(31)의 관통공(32)은 대경부(32a)와 소경부(32b)로 형성된다.

몸체(31)는 대경부(32a)에 해당하는 외주연에 나사(33)를 형성하여 밸브(20)의 출구 측에 나사 결합되고, 소경부(32b)에 해당하는 외주연에 스패너 등과 같은 공구가 물릴 수 있는 너트부(34)를 형성하여 나사(33)를 조이거나 푸는 작업을 쉽게 한다.

또한, 몸체(31)는 관통공(32)의 소경부(32b)에 나사(35)를 형성하여 가열관(10)과 나사 결합된다.

이와 같은 몸체(31)의 내부에는 오리피스부재(36)가 삽입 설치된다. 즉, 오리피스부재(36)는 관통공(32)의 대경부(32a)에 삽입 설치되며, 일단이 막힌 원통형상을 이루어 그 막힌 일단에 원뿔 형상의 돌기(36a)를 돌출 형성하고, 그 돌기(36a)를 관통하여 미세한 오리피스홀(36b)을 형성하여, 그 오리피스홀(36b)을 통해서 가열관(10)을 개방함으로써 가열관(10)을 대기압 상태로 만든다.

오리피스(36)는 중앙에 관통홀(37a) 즉, 렌찌홀을 갖는 고정구(37)를 대경부(32a)에 나사 결합하여 오리피스부재(36)를 고정하며, 대경부(32a)와 소경부(32b)가 형성하는 관통공(32)의 단차에는 패킹(예컨대, 스테인레스강 재질의 패킹)(38)을 개재하여 오리피스부재(36)와의 사이에 수밀성을 부여한다. 오리피스부재(63)는 관통홀(37a)을 통해서 밸브(30)와 연통한다. 참조부호 (39)는 와셔 예컨대, 스프링 와셔를 나타낸 것이다.

오리피스(36)의 오리피스홀(36b)은 가열관(10)의 내부 압력을 내려 대기압 상태를 만들고 100℃이하의 배관(1)의 표면온도를 유지시켜줌으로써 에너지의 낭비를 줄여 상당한 경제적 이득을 얻을 수 있도록 한다.

기존과 같이 가열관(10)의 말단에 스팀트랩이 설치되면, 가열관(10)에는 사용증기압력의 포화온도(증기상태)가 항상 유지되고 있는 상태가 된다. 예컨대, 가열관(10)의 내부에는 2기압 상태가 유지되고 표면온도는 133℃가 유지된다.

그러나 이 상태에서, 가열관(10)의 말단에 스팀트랩을 해체한 후 가열관(10)과 밸브(20)와의 사이에 오리피스(30)를 설치하면, 오리피스홀(36b)이 가열관(10)을 개방함으로써 가열관(10)의 내부 압력이 내려가 대기압(1기압)으로 되어, 가열관(10)의 표면온도가 100℃이상의 온도가 되지 않고, 100℃이하의 온도가 됨으로 인해 상당한 방열량 차이가 나, 결국 증기 삭감으로 이어져 에너지 낭비를 효과적으로 줄일 수 있다.

오리피스(30)에 의해 가열관(10)이 개방됨으로써 스팀 누출이 염려될 수 있으나, 실제로는 발생된 드레인이 가열관(10)의 말단에 모여 모세현상을 일으킴으로써 극단적인 스팀 누출은 없고, 압력 또는 가열관(10)의 길고 짧음에 따라 스팀 누출이 있는 경우에도 밸브(20)로 증기량을 조절함으로써 충분히 해결할 수 있다.

또한, 기존과 같이 가열관(10)의 말단에 스팀트랩이 설치되면, 가열관(10)으로부터 구리 이온의 용출에 의해 스팀트랩이 고착되어 막히거나 벌어지는 등의 운영상의 트러블(고장)이 있으나, 가열관(10)의 전단에 오리피스(30)가 설치됨으로써 구리이온의 용출·석출이 있어도 안전하므로 운영상의 트러블 없이 일정량의 스팀을 토출할 수 있다.

＜실험예 1＞

스팀헤더와 가열관의 사이 즉, 가열관의 전단에 본 발명 즉, 오리피스를 장착한 밸브를 설치하고, 가열관의 말단에 기존의 스팀트랩을 설치하여, 각각 에너지 소모에 대하여 실험해 보았다. 가열관의 말단에 설치되는 스팀트랩은 핀치트랩(미국)이다.

실험 조건은 아래 표 1과 같다.

배관 직경(φ)	34mm	증기 잠열	517㎉/㎏
가열관 직경(φ)	13.8mm	열관 유율	18㎉/㎡·℃·h
배관 길이	50m	보온 효율	50%
가열관 피치	100mm	외부온도	여름 : 30℃
증기 압력	0.2MPa		겨울 : 0℃
증기 온도	133℃	가동시간	8,700h/년
가열관	φ8×6mm 동파이프	배관	25A 스테인레스관
가열관 표면적	0.0433㎡/m×(0.034×3.14×500) = 2.3㎡

가열관의 말단에 핀치트랩을 설치한 경우, 배관의 표면온도는 133℃이고, 핀치드랩의 드레인 온도는 80℃이며, 가열된 유체(물)의 온도는 30℃이다.

이 경우 겨울철 스팀 소모량은 5.31㎏/h이고, 여름철 스팀 소모량은 4.1㎏/h으로서, 평균 4.7㎏/h의 스팀을 소모한다.

겨울 (2.3㎡×18㎉×133℃-0℃)/517㎉ 10.65㎏/h×(1-0.5) = 5.31㎏/h

여름 (2.3㎡×18㎉×133℃-30℃)/517㎉ 8.25㎏/h×(1-0.5) = 4.1㎏/h

가열관의 전단에 본 발명을 설치한 경우, 배관의 표면온도는 100℃이고, 가열관 말단의 드레인 온도는 60℃이며, 가열된 유체(물)의 온도는 30℃이다.

이 경우 겨울철 스팀 소모량은 4.01㎏/h이고, 여름철 스팀 소모량은 2.8㎏/h으로서, 평균 3.4㎏/h의 스팀을 소모한다.

겨울 (2.3㎡×18㎉×100℃-0℃)/517㎉ 8.0㎏/h×(1-0.5) = 4.01㎏/h

여름 (2.3㎡×18㎉×100℃-30℃)/517㎉ 5.6㎏/h×(1-0.5) = 2.8㎏/h

실험 결과, 핀치트랩의 교체기간은 3 ~ 5년인 반면, 본 발명은 반영구적이고, 유체를 똑같이 30℃를 데우는데도 1.3㎏/h(4.7㎏/h - 3.4㎏/h)의 스팀량 차이가 남을 알았다. 따라서, 본 발명의 사용개수가 300대인 경우, 1년에 3.393ton(1.3㎏/h×8,700h/년×300대)의 스팀 소모를 줄일 수 있고, 5년인 경우 16,965ton( 3.393ton×5년)의 스팀 소모를 줄일 수 있어, 상당량의 에너지 소모를 줄일 수 있음이 판명되었다.

＜실험예 2＞

비교대상	초기수온	초기수량	최종수온	최종수량	포집시간 (분)	결과 (배출열량)
피치트랩	17.0	0.040	28.0	0.082	1.5	1,731.6㎉/㎏
본 발명	16.0	0.040	27.0	0.066	3	711.4㎉/㎏

위 배출열랑의 차이는 1,020.2 ㎉/h 가 된다.

년간으로 계산하면, 1,020.2 ㎉/h×24×365 = 8,9000,000 ㎉/년 의 배출열량 차이가 난다.

핀치 트랩은 기존의 온조트랩에서의 드레인 배출온도를 80℃로 유지가 되는 능력을 가지고 있다. 본 발명은 필요한 칼로리를 증기량으로 공급하는 기술로서 가열관의 전단 즉, 동관 증기 취출구에 설치되며, 아래의 이유로 큰 칼로리의 차이가 남을 알았다.

피치 트랩이 80℃의 온도를 유지하기 위해서 가열관은 포화온도를 갖는다. 그 때문에 가열관에서의 방열 드레인이 다량이 될 수 밖에 없다. 또한, 가열관의 상부 방열량이 큼이 확인되었다.

본 발명은 증기 취출구에 설치되어 가열관을 개방한다. 가열관 내부는 대기상태가 됨으로 인해 표면 온도는 100℃이상으로 올라가지 않았다. 드레인 배출상황을 볼 때 소량의 플래시 증기가 발생하고 있는 상태로서 밸브의 개폐 조절을 통해 그 상황을 맞출 수 있었다.

단, 핀치트랩에서의 드레인 배출온도는 80℃로 일정하지만, 본 발명은 40℃에서 80℃로 변화가 있었는데, 그 이유는 가열관의 말단에 드레인이 모아지면 모세관 현상에 의해 40℃ 정도가 배출되고 그 이후 소량의 80℃의 드레인이 배출되기 때문이었다. 표면온도가 100℃ 이하에서도 유체를 충분히 데울 수 있었다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 배관 3: 스팀헤더
10: 가열관 20: 밸브
30: 오리피스 31: 몸체
32: 관통공 32a: 대경부
32b: 소경부 33,35: 나사
34: 너트부 36: 오리피스부재
36a: 돌기 36b: 오리피스홀
37: 고정구 37a: 관통홀
38: 패킹 39: 와셔

Claims (8)

1. 유체가 유동하는 배관을 따라 감겨 설치되어 스팀헤더와 연결되는 가열관;
   상기 스팀헤더에 설치되어 상기 가열관과 연결되며, 상기 스팀헤더로부터 상기 가열관에 공급되는 스팀량을 조절하는 밸브; 및
   상기 밸브와 결합되어 상기 밸브와 상기 가열관의 사이에 위치하며, 오리피스홀을 통해 상기 가열관을 개방함으로써 상기 가열관을 대기압 상태로 만드는 오리피스;를 포함하며,
   상기 오리피스는 내부에 관통공을 갖는 몸체와, 상기 몸체의 관통공에 삽입 설치되는 상기 오리피스홀을 갖는 오리피스부재로 이루어지고,
   상기 오리피스부재는 일단이 막힌 원통형상을 이루어 그 막힌 일단에 원뿔 형상의 돌기를 돌출 형성하고, 상기 오리피스홀은 상기 돌기를 관통하여 형성되며,
   상기 몸체의 관통공에는 관통홀을 갖는 고정구가 삽입 설치되어 상기 오리피스부재를 고정하고,
   상기 몸체의 관통공에는 상기 오리피스부재와의 사이에 수밀성을 부여하는 패킹이 설치되는 것을 특징으로 하는 히트 트레이스장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 오리피스는 상기 밸브에 탈착되게 결합되는, 히트 트레이스장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 오리피스는 상기 밸브에 분리되지 않게 일체로 결합되는, 히트 트레이스장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 오리피스는 상기 밸브의 출구 측에 결합되어 상기 가열관을 개방하는, 히트 트레이스장치.
   
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