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수배관 시스템, 특히 난방 및 냉방에 사용되는 배관이나 열교환 장비에서는 물 속에 녹아 있는 미네랄 성분이 침전되어 딱딱한 고형물 형태로 관 내벽에 쌓이는 현상이 발생하는데, 이를 스케일(Scale)이라고 합니다. 스케일은 주로 탄산칼슘(CaCO₃)이나 탄산마그네슘(MgCO₃), 규산염 등으로 이루어지며, 시스템 성능 저하와 장비 수명 단축의 주요 원인이 됩니다.
1) 생성 원인
수배관에서 스케일이 생성되는 주된 원인은 다음과 같습니다.
- 미네랄 성분 함유: 물 속에는 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺)과 같은 경도 성분과 중탄산염(HCO₃⁻), 탄산염(CO₃²⁻)과 같은 알칼리도 성분 등 다양한 미네랄이 용해되어 있습니다. 스케일은 이러한 용존 미네랄이 침전되면서 형성됩니다.
- 온도 상승: 가장 중요한 원인 중 하나입니다. 물의 온도가 상승하면 탄산칼슘과 같은 물질의 용해도가 감소하는 경향이 있습니다. 또한, 온도가 높아지면 물 속에 녹아 있는 중탄산염이 분해되어 탄산염과 이산화탄소(CO₂)를 생성하게 되는데, 이때 생성된 탄산염이 칼슘 이온과 결합하여 용해도가 낮은 탄산칼슘으로 침전되기 쉬워집니다. 보일러나 열교환기 등 고온부에서 스케일 생성이 활발합니다.
- 압력 변화: 압력이 낮아지면 물 속에 용해되어 있던 이산화탄소(CO₂)가 빠져나가게 됩니다. CO₂가 감소하면 중탄산염-탄산염 평형이 탄산염 쪽으로 이동하여 탄산칼슘 침전을 촉진합니다.
- 증발 (개방 시스템): 냉각탑과 같은 개방형 시스템에서는 물이 증발하면서 용해된 미네랄 성분의 농도가 높아집니다. 농도가 높아져 용해도 한계를 넘어서면 미네랄이 침전되어 스케일을 형성합니다.
- pH 변화: 물의 pH가 높아져 알칼리도가 증가하면 탄산염 이온의 농도가 높아져 탄산칼슘 침전이 촉진됩니다.
2) 생성 영향 요소
스케일이 얼마나 많이, 얼마나 빠르게 생성되는지에 영향을 미치는 주요 요소는 다음과 같습니다.
- 물 경도 (Water Hardness): 물 속에 포함된 칼슘 및 마그네슘 이온의 농도가 높을수록 스케일 생성 가능성 및 양이 증가합니다. 경도가 높은 물(고경도수)은 스케일 생성 위험이 매우 높습니다.
- 알칼리도 및 pH: 물의 총 알칼리도(특히 중탄산염 및 탄산염 농도)가 높고 pH가 높을수록 탄산칼슘 스케일 생성이 촉진됩니다.
- 온도 및 열유속: 물의 온도가 높을수록, 그리고 열교환 표면에서의 **열전달 속도(열유속)**가 빠를수록 스케일 생성 속도와 경도가 증가합니다. 고온의 열교환 표면은 스케일 형성의 가장 취약한 부분입니다.
- 총 용존 고형물 (Total Dissolved Solids, TDS): 물 속에 녹아 있는 전체 고형물 농도가 높을수록 스케일 형성 잠재력이 커집니다.
- 유속 및 흐름 특성: 유속이 매우 느리거나 물이 정체되는 구간에서는 미네랄이 침전되어 스케일이 쌓이기 쉽습니다. 하지만 특정 조건에서는 유속이 너무 빨라도 표면의 거칠기 등과 만나 스케일이 침착될 수 있습니다.
- 배관 및 표면 재질: 배관이나 장비 표면의 재질 특성이나 표면 거칠기가 스케일의 부착 및 성장에 영향을 줄 수 있습니다.
3) 방지 대책
수배관 스케일 생성은 시스템 성능 저하와 장비 손상을 유발하므로 철저한 방지 대책을 적용해야 합니다.
- 적절한 수처리 (가장 중요): 물의 화학적 성분을 조절하여 스케일 생성을 억제합니다.
- 연수화 (Softening): 이온 교환 수지 등을 이용하여 물 속의 칼슘, 마그네슘 이온을 제거하는 방법입니다. 스케일의 주성분인 경도 성분을 원천적으로 제거하여 가장 효과적인 예방책입니다.
- 스케일 억제제 주입: 스케일 생성 결정의 성장을 방해하거나 미네랄 입자를 물 속에 분산시켜 침전되지 않도록 하는 화학 약품(스케일 억제제)을 주입합니다.
- pH 조절: 시스템 운전 조건 및 재질 특성에 맞는 적정 pH를 유지하여 스케일 생성이 덜 일어나도록 조절합니다 (단, pH 조절은 부식과도 관련되므로 신중해야 합니다).
- 시스템 설계 및 운전 관리:
- 적정 운전 온도 유지: 시스템의 운전 온도를 필요 이상으로 높이지 않습니다.
- 적정 유속 유지: 배관 내 물이 정체되지 않고 적정 유속으로 흐르도록 하여 침전을 방지합니다. 사각 지대나 정체 구역을 최소화합니다.
- 블로우다운 (개방 시스템): 냉각탑 등에서는 순환수의 미네랄 농도가 높아지는 것을 방지하기 위해 주기적으로 시스템 수를 일부 배출하고 깨끗한 보충수를 공급하는 블로우다운(Blowdown)을 수행합니다.
- 여과 (Filtration): 물 속의 부유 물질을 제거하여 스케일 생성의 핵 역할을 하거나 침전되는 것을 방지합니다.
- 물리적/화학적 세관:
- 이미 생성된 스케일은 물리적인 방법(브러싱, 스크래핑, 고압 살수 등)이나 화학 약품(산성 세관제 등)을 사용하여 주기적으로 제거해야 합니다. (이것은 '방지'보다는 '제거'에 가깝지만, 스케일로 인한 영향 확대 방지를 위해 중요합니다.)
수배관 스케일은 열 전달 효율 감소, 압력 손실 증가, 유량 감소, 장비 고장 및 수명 단축 등 다양한 문제를 야기하므로, 특히 물의 경도 및 온도 조건 등을 고려하여 설치 초기부터 적절한 수처리 계획을 수립하고 꾸준히 관리하는 것이 매우 중요합니다.
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