KR101484602B1 - 형상기억합금을 이용한 응축수양에 능동적으로 반응하는 스팀트랩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스팀트랩에 관한 것으로 모든 산업분야에서 스팀(steam, 증기)으로 운용되는 생산설비, 스팀 배관설비, 열교환기 등에서 스팀에 의하여 발생하는 응축수를 오리피스 노즐을 통해 효과적이고 빠르게 배출시키는 기술이다. 배관의 동작상태와 온도상태에 따라 응축수의 양을 구분하여 응축수의 양에 따라 능동적으로 반응하여 응축수의 배출을 지능적으로 배출하는 장치이다.

Description

형상기억합금을 이용한 응축수양에 능동적으로 반응하는 스팀트랩{Steam trap to react actively to the amount of condensed water using a shape memory alloy}

본 발명은 스팀트랩에 관한 것으로 더욱 상세하게는 모든 산업분야에서 스팀(steam, 증기)으로 운용되는 생산설비, 스팀 배관설비, 열교환기 등에서 스팀에 의하여 발생하는 응축수를 오리피스 노즐을 통해 효과적이고 빠르게 배출시키는 기술이다. 또한 오리피스 노즐을 응축수의 양에 따라 능동적으로 반응하여 응축수의 배출을 지능적으로 배출하는 장치이다.

일반적으로, 스팀 사용 기기나 스팀 수송관 등에는 일정 압력에 의해 공급되는 스팀배관 내의 스팀이 저온인 외부온도의 영향으로 생성되는 응축수를 배출하기 위한 스팀 트랩이 설치된다. 즉, 스팀트랩은 응축수를 제거하고 스팀이 새어나가지 않도록 설계된 일종의 자동 밸브라고 볼 수 있다. 그러므로 스팀트랩 장치는 공기 및 비 응축성 가스를 제거할 수 있어야 하며 시스템 전체의 성능을 보장하고 에너지절약이 될 수 있도록 작동되어야 한다. 스팀트랩에서 스팀이 누출된다면 증기가 가지고 있는 열이 방출되는 바, 에너지의 손실이 발생하고, 응축수 회수관 내에 압력이 상승하게 되므로, 그에 연결되어 있는 다른 스팀트랩의 압력에 영향을 주어 시스템 전체의 효율성이 떨어지게 된다. 또한 응축수가 배출이 제대로 되지 아니할 경우에는 워터 해머가 발생하고 이는 밸브 및 주배관의 수명 단축으로 이어질 우려도 있다. 여기서, 스팀트랩은 증기이송배관에서 응축수만을 자동적으로 배출하는 것으로, 다양한 방식으로 제공되고 있으며, 특히 볼후로트식, 디스크식, 바이메탈식, 버킷식, 오리피스식 등이 주로 사용되고 있다.

볼후로트식 스팀트랩은 증기와 응축수의 밀도차를 이용하여 응축수를 배출하는 것으로, 압력과 유량의 급격한 변동에 큰 영향을 받지 않으나, 빙결에 의한 손상이 발생할 수 있다.

디스크식 스팀트랩은 응축수가 스팀트랩 내에 고이면 트랩 내의 온도가 낮아져서 변압실 내의 압력이 저하되기 때문에 디스크가 들어 올려져 응축수가 배출된다.

바이멜탈식 스팀트랩은 응축수가 스팀트랩 내에 고이면 트랩 내의 온도가 저하하여 바이메탈의 작용에 의해서 볼 밸브가 열려서 응축수가 배출된다. 또한, 바이메탈식 스팀 트랩의 바이메탈은 열 팽창율이 다른 2종의 금속을 붙인 것이며, 온도 변화에 의해 휘어지는 작용을 하게 된다.

버킷식 스팀트랩은 버킷이 부상해서 배수 밸브에 의해 밸브 자리를 닫고 있지만, 입구에서 응축수가 흘러들어가 버킷 내에 고이면 응축수가 고여서 버킷은 가라앉아 버킷에 직결되어 있는 배수밸브가 열려서 증기 압력에 의해 버킷 내의 응축수가 배출된다.

오리피스식 스팀트랩은 배출되는 응축수가 오리피스 홀을 점유한 상태를 유지하면 스팀의 누출을 막는 원리이다. 오리피스식 스팀트랩은 스팀 누출이 극소화되고, 스팀트랩과 제거를 위한 동작부가 별도로 부착될 필요 없으며, 발열 면적이 적고, 가열체에 대하여 열 전달율이 높다는 장점으로 인해 경제적이며 가장 많이 사용되고 있다. 이러한 오리피스 스팀트랩의 장점을 이용한 최근의 기술에는 대한민국 특허등록 10-1422733호 기술이 최근에 공개 되었는데 상기 등록기술은 오리피스 가공이 용이하지 않다는 단점을 가지고있다. 또한 오리피스 스팀트랩이 가지는 응축수 용량에 따라 효과적으로 반응하지 못하는 문제를 가지고있다.

오리피스식 스팀트랩은 배출되는 응축수가 오리피스 홀을 점유한 상태를 유지하면 스팀의 누출을 막는 원리이기 때문에 가장 효과적으로 스팀중에 포함된 응축수를 배출하는 방식이다. 따라서 오리피스식 스팀트랩은 스팀 누출이 극소화되고, 별도의 구동부가 필요 없으며, 발열 면적이 적고, 가열체에 대하여 열 전달율이 높다는 장점으로 인해 에너지 절약과 설치의 용이성으로 인해 점차적으로 그 사용량이 증가되고 있다.

그러나 오리피스 스팀트랩이 가지는 단점은 스팀라인 을 통과하는 중에 발생되는 예상 응축수의 양에 따라 적절한 용량의 오리피스 스팀트랩을 설치해야 하며, 필요에 따라서는 이중화 방식으로 설치하여야 능동적으로 응축수의 양에 따른 동작을 한다는 단점이 있다. 특허등록 10-1422733호 기술의 경우는 이러한 응축수를 효과적으로 배출하기 위한 방법으로 고안되었는바, 상기 등록기술은 오리피스 가공이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다. 또한 오리피스 직경이 정규화되어 있는바 능동적으로 응축수양에 따른 동작반응을 보이기에 적합하지 못하다.

일반적으로 열원을 관리하기 위해 스팀라인이 동작중일 상태에서의 오리피스 동작은 매우 안정적으로 동작이 가능하다. 그러나 시스템이 동작하지 않다가 초기 동작이 시작될 때 또는 스팀 시스템이 동작중에 부하변동에 의해 응축수의 양이 변할 때 관내에 이미 포함되어 있는 응축수를 효과적으로 대량 배출해야 하는 단점이 있다.

상기 오리피스 스팀트랩의 단점은 응축수의 양에 따라 능동적으로 동작하지 못한다는 것이다. 이러한 문제를 해결 하기 위해 오리피스와 응축수가 모여있는 스트레이너 사이에 응축수의 양에 따라 반응하는 기구가 필요하며, 그 기구는 응축수의 양에 따라 오리피스의 크기를 늘리거나 별도의 배수 시스템으로 전환이 가능해야 한다. 본 발명에서는 응축수의 양에 따라 스트레이너 내부의 온도변화가 관측된바 열변화 형상기억합금을 이용하여 응축수의 양에 따라 배수 시스템이 전환되는 능동적인 스팀트랩기능을 이루려는 것이다.

본 발명은 지정된 직경의 오리피스 홀과 열전 형상기억합금으로 형성된 배출유닛을 설치하므로 스팀배관의 크기나 사용처에 따라 홀의 크기 조절이 용이하고 또한, 응축수의 배출이 정확하여 에너지 절감, 저탄소 발생과 녹색성장에 기여하는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 응축수가 저장된 스트레이너의 온도에 따라 응축수양을 체크하고 그에 따라 오리피스가 확대되어 응축수의 배출을 늘려, 보다 더 효과적으로 시스템을 정상상태동작으로 짧은 시간 내에 되돌릴 수 있는 장점을 가지 고 있다. 본 발명은 스팀과 응축수의 스팀트랩에서 배출속도가 더욱 높아지므로 스팀의 이용효율을 더욱 높이고 원가를 절감시키면서 응축수의 배출이 남김없이 완전하게 이루어지는 장점이 있다. 그리고 본 발명은 보조 오리피스 유닛의 결합상태를 온도에 따라 자유 변경되기도 하고 정상동작시 열변 형상기억합금에 의해 견고하게 밀착 상태가 유지되어 응축수의 배출을 신속하며 원활하게 진행시키는 장점이 있다. 본 발명에는 구조상 자동적으로 역류방지기능이 구비되어 스팀배관 내에서 발생되는 응축수가 스팀트랩 본체에서 응축수 배출관으로만 배출 되도록 하여 스팀배관으로 응축수가 역류되는 것이 방지되기 때문에, 스팀의 누출 없이 외부로 응축수만을 효율적으로 배출할 수 있다는 효과가 있다. 본 발명의 가장 주요한 기능적 개선의 효과는 스팀시스템의 부하변동에 따르는 응축수양에 대하여 응축수의 배출량을 효과적으로 능동적으로 대처하여 구조의 변경이 이뤄지고 그에 따라 응축수 배출량을 달리하여 스팀시스템이 정상가동되도록 유지시킬 수 있는 것이다.

도 1의 (a)(b)(c)(d)는 본 발명에 따른 스팀트랩을 보여주는 도면으로, (a)(b)는 작동 전후의 상태를 보여주는 단면 구성도이며, (c)는 역류방지 유닛의 측면과 정면도이며, (d)는 오리피스 유닛의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 응축수 배출의 순서도이다.
도 3은 본 발명 기술이 장착된 오리피스형 스팀트랩 구성도이다.

본 발명을 실시하기 위하여 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
도 1의 (a)(b)(c)(d)를 참고하면, 본 발명의 스팀트랩은, 중공 형상의 관로(111)가 형성된 몸체부(110)와; 관통 형성된 오리피스(121)가 마련되며, 상기 몸체부(110) 내에서 직선 운동이 가능하게 마련되어 관로(111)의 개폐가 가능한 오리피스 유닛(120)과; 상기 몸체부(110) 내에서 상기 오리피스 유닛(120)을 탄성 지지하는 스프링(130)과; 상기 몸체부(110) 내의 관로 상에 배치되어 상기 스프링(130)의 탄성 지지 방향과 반대 방향에서 상기 오리피스 유닛(120)을 지지하게 되는 형상기억합금 스프링(140);을 포함한다.

본 실시예에서 스프링(130)과 형상기억합금 스프링(140)은 코일형 스프링에 의해 제공됨을 보여주고 있으며, 오리피스 유닛(120)을 사이로 서로 반대 방향에 배치되어 오리피스 유닛(120)을 지지하게 되며, 바람직하게는, 스프링(130)과 형상기억합금 스프링(140)은 오리피스 유닛(120)을 사이로 동일 중심축 상에 마련된다.
바람직하게는, 몸체부(110)는 관로(111)를 따라 흐르는 응축수의 역류를 방지하게 되는 역류방지 유닛(150)을 더 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 스팀트랩은, 스팀과 응축수가 혼합된 100도씨 이상의 고온 스팀이 오리피스 스팀트랩에 유입되면 형상기억합금 스프링(140)이 팽창 상태를 유지하여 오리피스 유닛(120)은 몸체부(110)의 관로(111)를 폐쇄하게 되어 오리피스(121)를 통해서만 응축수의 배출이 이루어진다. 이때 오리피스 유닛(120)을 탄성 지지하게 되는 스프링(130)은 압축 상태가 된다.
반대로 응축수가 늘거나 배관의 스팀동작 초기에는 스트레이너 내부의 온도가 90도씨 이하로 떨어지게 되어 형상기억합금 스프링(140)은 팽창력을 잃고 스프링(130)에 의해 수축하게 된다. 따라서 형상기억합금 스프링(140)이 수축하게 되면 몸체부(110)와 오리피스 유닛(120)이 분리되고 관로(111)가 개방되어 대량의 응축수 배출이 이루어진다.
한편 관로(111)가 개방된 상태로 대량의 응축수가 배출될 때 응축수는 역류방지 유닛(150)을 통해 배출이 이루어지며, 응축수가 배출이 완료되면 스트레이너의 스팀온도가 상승하고 그에 따라 다시 형상기억합금 스프링(140)은 고온에 노출되어 팽창이 이루어져 몸체부(110)의 관로(111)를 폐쇄하게 되고 응축수는 오리피스 유닛(120)의 좁은 오리피스(121)를 통해서만 배출이 이루어져 오리피스형 스팀트랩의 동작이 이루어진다.

삭제

도 2에서는 상기 구체적인 동작에 따른 순서를 적은 것이다. 응축수와 스팀이 유입되면(010) 스트레이너의 온도가 상승하거나 하강하게 된다(011). 스팀트랩 쳄버나 스트레이너의 온도(012)에 따라 형상기억합금 스프링이 팽창(013) 또는 수축(016)과정을 선택으로 하게 된다. 형상기억합금 스프링이 팽창하게 되면 소량의 스팀과 응축수가 배출(014)하게 되어 정상적으로 스팀트랩이 동작한다(015). 하지만 스팀트랩 쳄버와 스트레이너 온도가 낮아 형상기억합금 스프링이 수축하게 되면(018), 다량의 응축수가 배출된다. 응축수를 배출하고 난후 온도의 상승은 다시 형상기억합급을 팽창하게 만든다. 이와 같이 스팀배관의 온도에 따라 능동적으로 동작하게 되는 것이 본 발명의 특징이다.

도 3은 본 발명이 적용된 오리피스형 스팀트랩의 구성도이다. 스팀과 응축수(020, 021)가 본체에 유입되면 가는 방(022)가 이물질을 거르게 되고 1차적으로 응축수가 압력 변화에 따라 쳄버에 쌓이게 된다. 쳄버에 쌓인 응축수는 수동배출 밸브(024)에 의해 배출되기도 하지만 스트레이너(023)를 거쳐 스팀트 랩본체(025)로 유입된다. 본 발명의 유닛(027)의 동작 여부에 따라 응축수와 스팀의 배출이 결정되고 능동적으로 동작된다.

Claims (3)

1. 중공 형상의 관로(111)가 형성된 몸체부(110)와;
   관통 형성된 오리피스(121)가 마련되며, 상기 몸체부(110) 내에서 직선 운동이 가능하게 마련되어 관로(111)의 개폐가 가능한 오리피스 유닛(120)과;
   상기 몸체부(110) 내에서 상기 오리피스 유닛(120)을 탄성 지지하는 스프링(130)과;
   상기 몸체부(110) 내의 관로 상에 배치되어 상기 스프링(130)의 탄성 지지 방향과 반대 방향에서 상기 오리피스 유닛(120)을 지지하게 되는 형상기억합금 스프링(140);을 포함하는 스팀트랩.
2. 제1항에 있어서, 상기 몸체부(110)는 상기 관로를 따라 흐르는 응축수의 역류를 방지하게 되는 역류방지 유닛(150)을 더 포함하는 스팀트랩.
3. 제1항에 있어서, 상기 스프링(120)과 상기 형상기억합금 스프링(140)은 코일형 스프링이며, 상기 오리피스 유닛(120)을 사이로 동일 축상에 마련됨을 특징으로 하는 스팀트램.

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