1-8. 공조기 가열용, 가습용으로 증기(Steam)를 공급하고, 증기 감압밸브를 설치 사용하고 있다. 다음 사항에 대하여 설명하시오.

onha09 2025. 3. 6. 11:00

공조기(AHU)에서 증기는 가열 코일과 가습기에 열원 및 가습 매체로 사용됩니다. 증기 감압 밸브(Steam Pressure Reducing Valve, PRV)는 증기 공급 라인에 필수적으로 설치되며, 가습용 증기를 가열용 증기보다 낮은 압력으로 공급하는 데는 중요한 이유가 있습니다.

1) 감압 밸브 설치 이유 (PRV 설치 이유)

증기 감압 밸브(PRV)는 공조기 증기 시스템에 다음과 같은 중요한 이유로 설치됩니다.

공급 증기 압력 조절 및 시스템 보호:
보일러 효율 및 배관 경제성: 증기는 일반적으로 보일러에서 고압으로 생성되어 플랜트 전체 또는 건물 내 여러 지점으로 효율적으로 이송됩니다. 고압 증기는 배관 구경을 줄여 설비 비용을 절감하고, 장거리 이송 시 열 손실을 최소화하는 장점이 있습니다.
공조기 및 부속 기기 보호: 공조기 내부의 가열 코일, 가습기, 배관 등은 특정 압력 범위 내에서 안전하고 효율적으로 작동하도록 설계됩니다. 고압 증기가 그대로 공조기 부하에 공급되면 기기 손상, 누설, 파손 등의 위험이 발생할 수 있습니다. 감압 밸브는 공급 압력을 공조기 설계 압력에 맞춰 낮춰 기기를 보호하고 수명을 연장하는 역할을 합니다.
안전 확보: 고압 증기는 누설 시 위험성이 높습니다. 감압 밸브를 통해 공조기 및 사용처에 적정 압력의 증기를 공급함으로써 시스템 전체의 안전성을 확보할 수 있습니다. 특히 유지보수 작업 시 안전을 위해 감압 밸브는 필수적인 안전 장치입니다.

공조 부하별 최적 증기 압력 공급:
가열 부하 및 가습 부하 특성 차이: 공조기의 가열 코일과 가습기는 증기 사용 목적과 요구 조건이 다릅니다. 가열 코일은 열교환 효율 극대화를 위해 비교적 높은 압력의 증기를 사용하는 것이 유리하며, 가습기는 직접 공기 중에 증기를 분사하므로 낮은 압력으로 미세하게 분무하는 것이 효과적입니다.
개별 부하 맞춤 제어: 감압 밸브를 사용하면 하나의 고압 증기 공급원에서 각 공조 부하 (가열, 가습) 에 맞춰 최적의 압력으로 증기를 공급할 수 있습니다. 이는 에너지 효율 향상 및 정밀한 공조 제어에 기여합니다.
다양한 공조 시스템 대응: 건물의 규모, 용도, 공조 방식에 따라 다양한 공조 시스템이 적용됩니다. 감압 밸브는 이러한 다양한 시스템의 요구 압력에 유연하게 대응할 수 있도록 합니다.

정밀한 온도 및 습도 제어 용이:
안정적인 증기 공급: 감압 밸브는 압력 변동을 줄여 안정적인 증기 공급을 가능하게 합니다. 압력 변동은 온도 및 습도 제어의 불안정성을 야기할 수 있으므로, 감압 밸브를 통해 안정적인 증기 압력을 유지하는 것이 중요합니다.
미세 제어 가능: 낮은 압력의 증기는 유량 제어가 용이하여 가습량이나 가열량을 미세하게 조절하는 데 유리합니다. 특히 정밀한 습도 유지가 중요한 클린룸, 연구 시설 등에서 감압 밸브의 역할이 더욱 중요합니다.

에너지 효율 향상 및 운전 비용 절감:
불필요한 고압 증기 사용 방지: 가습과 같이 낮은 압력 증기만 필요한 곳에 고압 증기를 그대로 공급하는 것은 에너지 낭비를 초래합니다. 감압 밸브를 통해 필요한 압력으로 낮춰 공급함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
플래싱 손실 최소화: 과도하게 높은 압력의 증기를 감압할 때 플래싱 현상 (Flash Steam, 급격한 증기 발생) 이 발생하여 에너지 손실이 발생할 수 있습니다. 적절한 감압 단계를 설계하고, 고효율 감압 밸브를 사용하여 플래싱 손실을 최소화하는 것이 중요합니다.
응축수 회수 효율 증대: 감압 밸브 후단 배관의 압력이 낮아지면 응축수 회수 시스템의 효율이 향상될 수 있습니다. 응축수 회수는 에너지 절약 및 용수 절약에 기여합니다.

요약: 감압 밸브는 공조 시스템의 안전, 효율, 제어성을 확보하기 위한 필수적인 안전 및 제어 장치입니다. 적절한 감압 밸브 설치 및 관리는 시스템의 안정적인 운전과 에너지 절약에 매우 중요합니다.

2) 가습용 증기를 가열용보다 낮은 압력(0.35kgf/cm²)으로 공급하는 이유

가습용 증기를 가열용(2kgf/cm²)보다 현저히 낮은 압력(0.35kgf/cm²)으로 공급하는 주된 이유는 다음과 같습니다.

가습 방식의 차이 및 최적 조건:
가열 코일: 가열 코일은 증기와 공기 사이의 열교환을 통해 공기를 데우는 간접 가열 방식입니다. 높은 압력의 증기는 높은 온도를 가지므로, 열교환 효율을 높여 가열 성능을 향상시키는 데 유리합니다. 또한, 높은 압력은 코일 내부의 증기 응축 속도를 빠르게 하여 열전달 성능을 높이는 효과도 있습니다.
증기 가습기: 증기 가습기는 증기를 직접 공기 중에 분사하여 습도를 높이는 직접 가습 방식입니다. 높은 압력의 증기를 분사하면 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있습니다.
과도한 분무 및 응축: 고압 증기는 분사 시 입자가 굵고, 응축되기 쉬워 가습 효율이 떨어지고, 덕트 내부에 결로 현상을 유발할 수 있습니다. 또한, 미연소 증기가 발생하여 가습 효과가 저하될 수 있습니다.
소음 발생: 고압 증기 분사 시 소음이 커져 실내 쾌적성을 저해할 수 있습니다.
안전 문제: 고압 증기 누설 시 화상 등 안전 사고 위험이 증가합니다.
제어 어려움: 고압 증기는 유량 제어가 민감하여 미세 습도 제어가 어렵습니다.
저압 증기의 장점: 낮은 압력의 증기 (건조 포화 증기 또는 습증기) 를 사용하면 다음과 같은 장점을 얻을 수 있습니다.
미세 분무 및 균일 가습: 저압 증기는 입자가 미세하고, 공기 중에 빠르게 확산되어 균일한 가습 효과를 얻을 수 있습니다.
결로 방지: 낮은 압력 및 온도로 인해 응축 가능성이 낮아 덕트 내부 결로 현상을 방지할 수 있습니다.
저소음 운전: 분사 소음이 작아 쾌적한 환경을 유지할 수 있습니다.
안전성 향상: 누설 시 위험도가 낮아 안전성이 높습니다.
정밀 습도 제어 용이: 유량 제어가 용이하여 미세 습도 제어가 가능합니다.

가습기의 설계 및 작동 특성:
가습기 종류: 다양한 종류의 증기 가습기 (직분사식, 스팀 뱅크식, 증기 매니폴드식 등) 가 사용되지만, 대부분 낮은 압력의 증기에 최적화되어 설계됩니다.
노즐 설계: 가습기 노즐은 낮은 압력에서 증기가 미세하게 분무되도록 설계됩니다. 고압 증기용 노즐을 사용할 경우 분무 성능 저하 및 내구성 문제가 발생할 수 있습니다.
안전 기준: 가습기는 사람이 직접적으로 공기에 노출되는 공간에 설치되는 경우가 많으므로, 안전 기준이 더욱 엄격하게 적용됩니다. 낮은 압력 증기 사용은 안전 기준 준수에 유리합니다.

에너지 효율 및 운전 경제성:
낮은 압력 증기 생산 용이: 가습용으로 필요한 낮은 압력의 증기는 감압 밸브를 통해 쉽게 얻을 수 있습니다. 별도로 저압 증기 보일러를 설치하는 것보다 효율적이고 경제적입니다.
플래싱 손실 감소: 가습용으로 낮은 압력 증기를 사용하면 감압 과정에서의 플래싱 손실을 줄여 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
운전 비용 절감: 낮은 압력 증기 생산 및 관리는 고압 증기에 비해 운전 비용이 저렴합니다.

압력 단위 환산:

2 kgf/cm² ≈ 0.196 MPa ≈ 28.4 psi (가열용 증기 압력)
0.35 kgf/cm² ≈ 0.034 MPa ≈ 5 psi (가습용 증기 압력)

결론적으로, 가습용 증기를 가열용보다 낮은 압력으로 공급하는 것은 가습 방식의 특성, 가습기 설계, 안전성, 제어 용이성, 에너지 효율 및 경제성 등 다양한 요인을 종합적으로 고려한 최적의 방식입니다. 감압 밸브를 적절히 활용하여 각 공조 부하에 최적화된 증기 압력을 공급함으로써 쾌적하고 효율적인 공조 시스템 운영이 가능합니다.