스팀트랩은 증기공간내에서 증기가 응축하여 발생된 응축수를 효율적으로 제거하고 증기의 누출은 없도록 설개된 일종의 자동밸브이다. 또한 스팀트랩은 공기와 CO2등 비응축성 가스를 제거할 수 있어야 하며 시스템전체의 성능을 보장하고 에너지 절약이 유지될수 있도록 올바르게 작동되어야 한다.
아래는 스팀트랩 3개 기능으로 1) 응축수의 신속한 배출, 2)증기누설의 방지 3)불응축 가스의 배출이다.
* 응축수가 원활하게 배출되지 못하면,
- 증기공간내에 응축수가 차오르게 되며 결국 유효한 가열면적이 감소
- 워터햄머의 발생가능성이 높아져 배관이 손상
- 가열온도가 불균일하여 제품의 불량이 초래
- 증기관 및 설비내부의 부식 또는 재질의 노화를 촉진시켜 설비수명 단축
스팀트랩 종류에 따라서 분류하고 각 타입에 대한 장단점을 확인하도록 하겠습니다.
스팀트랩 종류
1. 기계적 트랩 (Mechanical Trap)
증기와 응축수 사이의 밀도차 즉, 부력차에 의해 작동되는 타입으로서 응축수가 생성되는 것과 거의 동시에 배출되며 볼플로트트랩과 버켓트랩이 있다.
1) 볼플로트트랩 (Ball Float Trap)
가) 작동원리
플로트트랩은 볼프로트와 래버에 의하여 작동되며 응축수가 트랩에 들어오는 즉시 부력에 의해 볼플로트가 떠오르며 동시에 밸브가 열려 응축수가 배출된다.
공기가 트랩내에 유입되면 플로트는 부력을 읽고 가라앉아 밸브가 열리지 않는 공기장애(Air Binding)현상이 발생된다. 대부분의 플로트 트랩에는 온도조절식 에어밴트(TV)가 내장되어 불필요한 공기를 제거하도록 되어있다.
만약 트랩이 설비의 드레인점보다 너무 먼거리에 부착되거나 사이폰관 끝에 부착된 경우 증기에 의한 포켓형성으로 인하여 응축수가 트랩내로 유입될수 없는 증기장애현상(Steam Locking)이 발생되므로 증기장애 해소장치(SLR)라고 하는 니들밸브를 사용 증기를 제거시켜야 한다.
나) 장 점
- 항상 응축수가 생성 되는대로 배출시키므로 최대의 열효율을 요구하는 곳에 적합하게 사용된다.
- 급격한 부하변동이나 압력변동에도 쉽게 대처하여 응축수를 원활하게 배출시킬 수 있다.
- 자동에어밴트가 내장되어 있어 공기배출 능력이 뛰어나다.
- 증기장애해소 장치를 내장시킬수 있어 증기장애가 일어날 수 있는 설비에 효과적으로 응용할 수 있다.
다) 단 점
- 워터햄머에 내부가 손상을 입을 수 있으며
- 동파의 위험이 있으므로 실외에 설치시에 트랩은 보온되어야 한다.
- 증기압력에 따라 밸브의 오리피스경을 바꿔야 한다.
2) 버켓트랩 (Bucket Trap)
가) 작동원리
- 시동초기에 버켓은 가라앉아 뱁브는 완전개방되어 있다. 공기가 입구를 통해 버켓내로 유입된 후 벤트홀을 통해 서서히 빠져나간다.
- 공기가 빠져나가면 차가운 응축수가 트랩내에 유입되어 버켓내외로 물이 차 오른다. 이때 버켓은 계속 가라앉아 있고 밸브는 계속열려 있어 응축수가 배출된다.
- 뜨거운 응축수에 이어서 증기가 트랩에 유입되면 증기는 버켓내부의 응축수를 밀어내고 버켓내에 차게되며 버켓은 부력을 받아 떠오른다. 이때 레버에 부착된밸브는 시트에 접근하고 응축수는 빠른 소도로 시트를 통과하면서 밸브를 시트에 순간적으로 밀착시킨다.
- 응축수가 계속 트랩으로 유입되면 버켓내부의 증기를 벤트홀을 통해 밀어내며 동시에 증기의 일부는 응추되어 버켓은 부력을 잃게되고 가라앉으며 레버를 당겨 밸브가 열리게 된다. 이와 같은 작동이 반복되면서 응축수를 배출하게 된다.
나) 장 점
- 버켓트랩은 견고하며 워터햄머에도 강하다.
- 응축수 입구에 체크밸브를 설치하면 과열증기에서도 사용이 가능하다.
다) 단 점
- 버켓상부의 조그만 벤트홀은 에어벤트를 위한 것이나 에어벤팅이 매우 서서히 이루어지므로 별도의 에어벤트 설치가 요구되기도 한다.
- 버켓하부에는 항상 워터실이 유지되어야 하며 워터실이 파괴되면 증기가 누출되게된다.
워커실이 파괴되는 원인으로 갑작스런 입구압력의 상실, 입구압력의 변동이 수시로 일어날 경우, 과열증기에 이용시등으로 입구측에 체크밸브를 설치함으로써 해결할 수 가 있다.
- 동파 위험이 있으므로 보온이 필요하다.
2 온도조절식 트랩 (Thermostatic Trap)
증기와 응축수의 온도차이를 이용하여 응축수를 배출하는 타입으로서 응축수가 냉각되어 증기포화 온도보다 낮은 온도에서 응축수를 배출하게 되므로 응축수의 헌열까지 이용할 수 있어 에너지 절약식이다.
종류에는 압력평형식(밸로즈식 혹은 다이아프람식)과 바이메탈식이 있다.
1) 압력평형식 (Balanced Pressure Type)
가) 구 조
다이어프램 엘레먼트는 외부에는 두꺼운 스테인레스판으로 보호되어 있고
내부에는 스프링의 역할을 할 수 있는 얇은 스텐레스판 즉 다이어프램 2장이 외부의 두꺼운 스테인레스판에 용접되어 있으며
이 다이아프람과 외부의 보호판사이에는 포화온도보다 약간 낮은 온도에서 증발하는 액체가 봉입되어 있다.
또한 다이아프람중 상부 다이아프람의 중앙에는 볼 밸브가 용접되어 있다.
나) 작동원리
가동초기에 엘레먼트는 식어있어 다이어프램은 스프링작용에 의해 상부로 올라가 있으며 이때 밸브는 완전개방되어 있다. 따라서 공기와 찬응축수를 자유롭게 배출시킨다. (그림 가.)
이때 엘레먼트내의 액체는 액체상태로 유지되고 있다가 응축수의 온도가 점점 상승하여 포화 증기온도에 근접하게 되면 엘레먼트도 열을 받아 가열되면서
내부의 액체가 증발하므로 내부의 압력이 즈가하게 된다. 이때 외부의 보호판은 충분히 두꺼우므로
모든 압력은 다이아프람으로 전달되면서 상부의 다이아프람이 하부의 다이아프람쪽으로 내리밀리면서 결국 그림 (나.)와 같이 밸브를 폐쇄하게된다.
응축수의 배출이 정지되면 트랩몸체에서의 방열에 따라 트랩내부의 응축수도 냉각되고 결국 엘레먼트 내부의 증기도 응축하게 되므로 엘레먼트 내부압력이 떨어지면서 주위의 압력에 의해 다시 열리게된다.
(그림 가.의 상태로 복귀한다.)
이와 같은 사이클이 반복되면서 트랩이 작동되게 된다.
다) 작동상 특징
엘레먼트의 내부에서 형성된 압력과 외부의 증기압력과의 균형을 유지하며 작동하게 되므로 “압력평형식”트랩이라고 불리우고 있다.
이때 내부에 형성되는 압력은 엘레먼트외부의 응축수의 온도에 따라 결정이되므로 외부압력이 상승하면 함께 내부의 압력도 상승하며 항상 증기포화온도 곡선에 근접하여 응추수를 배출하는 특성을 갖고 있다.
라) 장 점
- 소형이며 가볍다.
- 구경에 비해 다량의 응축수 배출 능력이 있다.
- 공기배출 능력이 뛰어나다.
- 과열증기에 사용할 수 있다.
- 워터햄머에 사용할 수 있다.
- 스테인레스강 재질로 제작되어 수명이 길다.
- 트랩의 정비가 용이하다.
마) 단 점
- 응축수가 증기포화온도보다 낮은 온도에서 배출되므로 응축수가 정체되면 곤란한 설비에 사용할 수 없다.
2) 바이메탈식(Bimetallic Type)
바이메탈은 열을 받으면 팽창되는 성질이 다른 두 개의 금속을 접합시켜놓은 것을 말하며 바이메탈이 열을 받게되면 한쪽으로 휘게된다.
그러나 바이메탈 한 개만으로는 용량도 부족하고 증기압력에 관계없이 항상 일정온도에서 작동을 하게되므로 트랩에서의 역할을 충분히 할 수가 없다.
그에따라 수개의 엘레먼트를 조합하여 보완을 하고 있다. 또한 밸브의 위치에 따라 응축수의 배출형태가 틀리게 된다
가) 작동원리
- 설비의 가동초기에는 온도가 낮은관계로 트랩의 밸브는 항상열려있어 공기와 찬 응축수를 배출한다.(그림 가)
- 점점 뜨거운 응축수가 유입되면 바이메탈은 서로가 만곡되어 밸브를 시트로 끌 어올려 밸브를 닫게된다. (그림 나)
- 다시 응축수가 조절온도까지 냉각되면 엘레먼트는 수축하여 밸브가 다시 열리 게된다. (그림 가)
나) 장 점
- 소형이며 에어벤트능력이 뛰어나다.
- 워터햄머에 강하고 과열증기에도 사용가능하며
응축수 부식이나 동파에 도 큰 영향을 받지 않는다.
- 응축수의 헌열까지 이용할 수 있어 에너지 절약적이다.
- 정비가 용이하다.
다) 단 점
- 온도변화에 서서히 반응하여 작동되므로 갑작스런 부하변동이나 압력변화에 대 처하기 힘들다.
- 포화증기보다 낮은 온도에서 응축수를 배출하므로 워터로깅을 피할 수 없다. 따라서 일반적으로 공정설비에 사용하는것은 피하여야 한다.
- 배압에 영향을 받으면 정상시보다 낮은온도에서 응추수를 배출하게되므로 주의해야 한다.
3. 열역학적 트랩 (Thermodynamic Trap)
작동부문이 디스크하나뿐이므로 디스크트랩이라고도 불리며 증기와 응축수의 속도차에 의해 작동된다.
이는 베르누이정리 즉 “유체의 흐름에 있어서 모든점에서의 총압력(동압+정압)은 일정하다.
따라서 유체의 속도가 빨라지면 동압이 증가하고 정압은 상대적으로 감소하게 된다. ”에 그 바탕을 두고 있다.
가) 작동원리
- 설비에 증기가 공급되면 증기 공간내의 공기와
차가운 응축수는 증기에 의해 밀려 트랩에 도달하여 디스크(A)를 밀어 올리고 출구(B)를 통해 빠져나간 다.(그림 가)
- 증기시스템이 가열됨에 따라 응축수 온도가 상승하게 되고 초기의 낮았던 증기압력도 정상이 되면서 응축수가 빠르게 배출된다.
뜨거운 응축수가 트랩 을 빠른속도로 통과하면서 압력이 떨어지며 이때 일부응축수가 증발되어 재 증발증기가 된다.
재증발증기는 부피가 크므로 더욱 빠른 속도록 트랩을 통 과하게 되며 일부 재증발증기는 디스크 상부의 공간(D)으로 유입된다. (그림 나)
응축수의 온도가 상승할수록 재증발증기의 발생량이 증가하며 따라서 배 출속도는 더욱 빨라지므로 디스크하부의 압력은 더욱 감소하면서 디스크를 시트링(C)으로 잡아당기게 된다.
이때 디스크 상부의 재증발증기의 압력에 부가하여 디스크는 시트링에 완전히 내려앉아 배출이 중단된다.
- 이때 디스크 상부 챔버 내의 재증발증기의 압력은 디스크표면 전체에 힘을 가하 게 되며 좁은 오리피스 면적을 통해 디스크를 밀어올리려는 증기압력에대항하 여 디스크를 완전차단하고 있으며 동시에 챔버내의 증기의 누출도 차단하게 된 다. (그림 다)
- 챔버(D)내의 재증발증기가 상부캪에서의 방열에 의해 응축되면 압력이 감소되 고 결국 디스크하부에서의 압력에 굴복하게 되어 디스트가 밀려 올려지면서 응 축수를 배출한다. (그림 라)
나) 장 점
- 구조가 간단하고 소형이며 가볍고 구경에 비해 응축수용량이 크다.
- 고압 및 과열증기에도 사용할 수 있으며 워터햄머나 진동에 영향을 받지 않는다.
- 밸브나 다른조정이 없어도 사용압력범위내에서 항상 작동이 된다.
- 작동부분이 디스크 하나뿐이므로 고장이 적고 정비보수가 용이하다.
다) 단 점
- 입구압력이 낮거나 배압이 높은 경우에는 원활하게 작동되지 않는다.
디스크가 폐쇄력을 얻기 위해서는 디스크 하부를 통과하는 재증발증기의 속도가 충분히 빨라야 하므로 최소한의 차압이 형성되어야 한다.
- 초기가동시 압력을 너무 빨리 상승시키면 공기에 의한 에어바인딩 즉 공기 장애현상이 생겨 더 이상의 응축수 배출을 할 수가 없게된다
.
- 외기 온도가 너무 낮거나 우기에는 디스크상부캡에서 방열속도가 증가하여 너무 자주 트랩이 작동하게 되므로 과도한 마모에 의해 수명이 단축되고 증기 의 손실이 생길 수 있다.
- 작동중에 소음이 있으므로 소음이 문제가 되는 곳에는 사용하는 것이 곤란한 경우가 있다.
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