특징
- 원통형 보일러가 물을 원통에 넣고, 안의 관으로 통해 가열한다면, 수관식보일러는 물을 관에 넣고 수관과 직각이나 평행으로 연소가스가 지나가면서 물이 데워지게 한다.
- 노통형 방식보다 고압의 난방이 가능
- 수관을 청소하는 것이 매우 까다로운 만큼 깨끗한 물을 공급하는 것이 매우 중요
- 구조상 고압(20kg/㎠ 이상), 대용량(10T/H 이상)에 적합하다.
- 연소실의 크기를 마음대로 조절할 수 있으므로 연소상태가 좋으며 또한 여러 종류의 연료 및 연소방식이 적용된다.
- 전열면적을 크게 할 수 있으므로 일반적으로 효율이 높다.
- 전열면적당 보유수량이 적어 소요증기가 발생할 때까지의 시간이 짧으며 부하변동에 따라 압력이나 수위가 변동되기 쉬우므로 민감한 조정이 필요하다.
- 양질의 급수가 필요하다. 특히 고압보일러는 세심한 수처리를 필요로 한다.
장점
- 지름이 작은 동체를 사용하므로 고압용으로 많이 쓰인다.
- 보유수량이 적어 증기발생시간이 빠르므로 시간이 단축된다.
- 전열면적을 크게 할 수 있으므로 대용량보일러 제작도 가능하다.
- 보일러수의 순환이 빠르고 열효율이 높다.(90%이상)
- 시동하고 나서 증기발생까지의 시간이 비교적 짧다.
- 현장 조립이므로 반입구가 작아도 반입이 가능하다.
단점
- 구조가 복잡하고 점검이나 청소가 곤란하다.
- 부하변동에 따른 압력이나 수위변화가 비교적 크다.
- 보일러수 중의 불순물이 수관에 부착하기 쉬우므로 양질의 급수가 필요하다.
- 수관이 곡관이므로 수관 교체 시 비용이 많이 들며 많은 시간이 소요된다.
- 현장 조립이므로 설치 기간이 길다.
✦순환비(circulation ratio)란?
순환비 = (수관에 들어오는 질량유량)/(생성된 증기)
✦순환비에 영향을 미치는 요인
- 압력(고압일 땐 순환비가 낮고 저압일 땐 순환비가 높다.)
- 보일러의 높이
- 보일러의 열용량
- 올라가는 관과 내려가는 관의 지름차이
- 건도(quality)
✦자연순환식 보일러(natural circulation boiler)
자연순환의 원리:
스팀버블로 차있는 Saturated water와 heated water의 밀도차를 이용해서 발생한다. 열은 하나의 관(raiser tube)에작용하고 물과 스팀은 섞이게 된다. 밀도가 높은saturated water는 가열되지 않은 관(downcomer)의 아래로 흐른다.
자연순환과 순환비:
자연순환은 부력을 이용한다. 액체의 밀도와 스팀드럼의 수위와 가열기 입구에서의 높이 차이는 자연순환의 힘을 생성한다. 두 상의 밀도로 인해서 downcomer에서의 아래로 작용하는 힘은 raiser tube 안에서의 아래로 작용하는 힘은 보다 크다. 이는 순환펌프가 없어도 계속되는 순환을 발생한다. 자연순환으로 인한 실제 드럼의 최대 압력은 2750psig이다. 이보다 높을 땐 downcomer에서의 물의 밀도와 raiser튜브의 밀도차가 작아지므로 자연순환이 어렵다.순환비는 수관에 들어오는 질량유량을 생성되는 스팀으로 나눈 값이다. 따라서 순환비가 5라고 하면 이는 downcomer에 흐르는 물의 양이 raiser tube에서 생성되는 스팀의 양보다 5배 많다는 것을 의미한다. 만약 1000의 스팀이 튜브에서 생성되었다고 가정하면 5000의 물이 downcomer에서 들어오고 4000은 스팀드럼에서 분리되어 다시 물보관 드럼에 들어간다.
자연순환의 원리2(Thermosiphon):
Thermosiphon은 수동 열교환의 한 방법으로 기계적인 펌프 없이 순환하는 자연대류를 기반으로 하고 있다. Thermosiphon은 가열이나 냉각 응용분야(열펌프, 보일러, 노)에서 액체나 휘발성 물질을 순환시킬 때 사용한다.
순환은 상부에 탱크를 달고 하부에 탱크를 가열하여 한 방향으로 흐르는 open-loop로 할 수 있다. 또한 탱크에서 나와 원래 탱크로 들어가는 수직 closed-loop도 가능하다.
위 그림을 예로 설명하면, 수직으로 된 탱크에 액체가 주입되고, 맨 아래의 pipe를 통하여 수평으로 된 탱크로 이동한다. 이 때 열매가 흘러 수평으로 된 탱크를 가열하게 되고 액체는 흡열해 액체의 일부가 상변화를 한다. 이 때 기포가 발생하고 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 수평탱크의 압력은 수직탱크의 압력보다 낮아지게 된다.
액체의 온도가 올라감으로써 액체가 증발하지 않아도 단순 열팽창 만으로도 밀도가 낮아지는 효과도 있지만 열교환기 쪽의 밀도가 크게 낮은 이유는 열교환기 튜브 벽에서 생성된 기포 때문이다.
[참고]
1. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-circulation
3. https://medium.com/@youngji/%EB%B3%B4%EC%9D%BC%EB%9F%AC%EB%9E%80-20e16c9fc0a9
