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[보일러]보일러란 무엇이며 보일러의 종류는 무엇이 있나?

[보일러]보일러란 무엇이며 보일러의 종류는 무엇이 있나? 난방기구 2008.10.28 21:09

[보일러]보일러란 무엇이며 보일러의 종류는 무엇이 있나?






보일러의 정의


연료와 연소열을 물 등에 전하여 온도와 압력이 높은 증기를 발생시키는 장치.

 

보일러에 대한 일반적 설명


연료와 연소열을 물 등에 전하여 온도와 압력이 높은 증기를 발생시키는 장치. 증기보일러라고도 한다. 화력발전소와 선박 등의 증기기관, 각종 공장의 작업용이나 난방용 등에 증기를 공급하는 데 사용한다. 초기 보일러의 연료는 석탄으로, 사람이 석탄을 화격자(火格子)에 넣는 수동식이었으나 곧 기계적으로 공급하는 스토커가 사용되었다. 현재도 미국에서는 증기발생량의 100t/h 정도가 발전용에 쓰이고 있으며 도시 쓰레기도 스토커로 소각하고 있다. 그 뒤 석탄을 미립자모양으로 분쇄하여 공기 중에 부유하는 상태로 완전 연소시키는 미분탄연소가 실용화되었으며, 중유나 경유를 연료로 하는 기름보일러, 가스를 연료로 하는 가스보일러가 쓰이게 되었다. 최근에는 배기정화(排氣淨化) 때문에 발전소에서도 천연가스를 연료로 하는 대형 보일러가 사용되고 있다. 그 외에 제철소의 고로가스·코크스로가스의 폐가스와 폐열, 원자로 핵분열의 열, 태양열 등을 열원으로 하는 보일러도 사용되고 있다.

보일러의 구조와 분류

보일러는 일반적으로 다음과 같은 부분으로 구성된다. ① 물과 증기를 넣은 보일러 본체 ② 연료의 연소장치와 화로 ③ 발생한 증기의 온도와 압력을 높이는 과열기 ④ 이미 사용해서 온도와 압력이 낮아진 증기를 다시 가열하는 재열기 ⑤ 폐가스의 열을 회수하여 재이용하는 절탄기와 공기예열기 ⑥ 급수장치 ⑦ 연소용 통풍장치 ⑧ 효율적으로 운전하기 위한 제어장치 등이다. 분류에는 몇 가지 방법이 있다. 본체의 구조에 따라 원통보일러·수관보일러·특수보일러로 나누며, 노의 위치에 따라 보일러 속에 있는 내연보일러, 보일러 밖에 있는 외연보일러로 분류한다. 또한 물의 순환방식에 따라 밀도차에 의해 순환하는 자연순환식과 펌프에 의한 강제순환식으로 나눈다.

원통보일러

물과 증기가 들어 있는 지름이 큰 드럼을, 연소기체가 지나는 굵은 통(노통)이나 가는 관(연관)이 관통하고 있는 보일러이다. 드럼의 지름이 크므로 높은 압력에서는 사용할 수 없고 게이지압력(대기 이상의 압력)으로 15atm 정도까지 사용된다.

⑴ 입식(立式)보일러:세운 드럼 밑에 노가 있는 형식이다. 노 속에서 가로로 수 개의 수관을 통하게 한 횡관식과 드럼 속에서 가로로 연관을 통하게 한 다관식이 있다. 구조가 간단하고 가격이 싸며, 고정시킬 수 있고 취급이 쉽다. 효율은 50% 정도로 낮지만 최근에는 80% 정도에 이르고 있다. 사용압력은 게이지압력 10atm 이하이고 증발량은 500㎏/h 정도인 소형보일러로서 공장·토목건설 현장에서 사용된다.

⑵ 노통(爐筒)보일러:가로로 설치한 지름이 큰 드럼을 축방향으로 관통하는 큰 노통을 설치한 형식이다. 노통이 1개인 코니시보일러와 2개 이상인 랭커셔보일러가 있다. 연료를 연소시키는 노통의 이음매가 열에 의해 팽창하므로 튼튼하게 만들어야 한다. 압력의 변동이 적고 청소도 간단하나 전열면적 (열을 물로 전달하는 면적)이 전체 크기에 비해 작기 때문에 증발량이 적고 효율도 60% 이하로 낮아 최근에는 제작되지 않고 있다. 게이지압력 12atm 이하이고 증발량은 랭커셔보일러의 경우 3t/h 이하이다. 공장용으로 많이 쓰인다.

⑶ 연관보일러:가로로 설치된 드럼의 수면 아래에 연소기체가 지나는 연관을 여러 개 설치하여 전열면적을 크게 한 것이다. 시동시간이 비교적 짧고 크기에 비해 증발량이 많아 효율이 60∼70%에 이른다. 게이지압력 10atm 이하인 공장용과 난방용으로서 많이 이용된다. 내연식과 드럼의 아래에 노가 있는 외연식이 있으며, 외연식의 경우 전열면적 10∼160m²이고, 증발량은 15㎏/h∼4t/h 정도이다. 증기기관차의 보일러도 이 형식인데 드럼의 지름에 제한이 있기 때문에 가늘고 길어 통풍이 나쁘므로 폐증기의 분출을 이용한 이젝터로 강제 통풍시키고 있다. 지름이 작기 때문에 게이지압력 20atm 정도가 한도이다.

⑷ 노통연관보일러:비교적 가는 드럼을 노통과 그 주변의 많은 연관이 관통하고 노통을 통과한 연소기체는 반전하여 연관을 통과한 뒤 다시 가열된다. 연관의 수가 많아 청소는 곤란하지만 크기에 비해 증발량이 많고 효율도 높다. 최근에는 큰 노통 속에서 연소기체를 반전시킨 뒤 다시 한번 더 연관에서 반전시키는 개량형도 사용되고 있다. 노통 안의 온도분포가 균일하여 열량도 많고 큰 용량화가 가능하다. 증발량은 기름을 연료로 할 때 18t/h이고 가스를 연료로 할 때 25t/h 이하이며 효율은 90%에 이른다. 선박용의 스코치보일러도 노통연관보일러의 일종이며, 굵고 짧은 드럼에 3∼4개의 노통과 많은 연관을 갖추고 있다.

수관보일러

물이 흐르는 가는 수관을 여러 개 늘어놓고 수관과 직각이나 평행으로 연소기체를 지나게 하여 증기를 발생시킨다. 관의 지름이 작아 고압에 견디고, 전열면적을 넓힐 수 있으며, 물을 위에서 아래로 흐르게 하는 강수관(降水管)과 증기를 발생시키는 증발관의 조합으로 보일러 물의 순환이 쉽고 증발량이 많은 것 등에서 고온·고압의 큰 용량의 보일러로 나아가는 추세이다. 수관의 청소가 곤란하므로 불순물이 없는 양질의 물이 필요하다. 자연순환식, 펌프에 의한 강제순환식, 긴 관의 한 끝에서 물을 들여보내 가열하여 다른 끝에서 수분이 없는 고온증기를 얻는 관류보일러가 있다.

⑴ 자연순환식수관보일러:수관의 모양에 따라 직관식과 곡관식, 수랭벽의 수랭관을 주로 하는 복사보일러로 나뉜다. ① 직관식수관보일러에는 횡수관식·경사수관식·입식수관식의 3종류가 있다. 횡수관식은 위에 있는 기수(氣水)드럼과 파이프래크를 수평에서 15°로 수관군(水管群)으로 연결시키고 물은 기수드럼으로 규칙적으로 흐르게 한다. 배브콕보일러·조합보일러가 대표적이다. 경사수관식은 위의 기수드럼과 아래의 수(水)드럼을 안에 강수관을 싸 넣은 45°의 수관군으로 연결한다. 횡수관식·경사수관식은 청소가 용이하여 널리 사용되었지만 현재에는 거의 사용되지 않는다. 입식수관식은 윗부분의 증기드럼과 아랫부분의 파이프레크 사이에 여러 개의 증발관을 원통 모양으로 배열하고 그 바깥쪽에 강수관을 설치한다. 효율은 85% 정도로 높고 게이지압력은 10atm이며 증발량 11t/h 이하의 소형·저압보일러로서 사용된다. ② 곡관식수관보일러는 윗부분의 1개의 기수드럼과 아랫부분의 1∼3개의 수드럼 사이를 배치가 자유스러운 곡수관으로 연결하고 수관군의 안쪽에 연소효율이 좋은 내연로를 설치한 형식이다. 게이지압력 130atm이고 중발량 400t/h 이하이며 중형 공장, 산업용에 사용된다. 수관의 배치에 따라 수직으로 배치되는 각 1개의 기수드럼과 수드럼을 수관군으로 연결할 때 일부의 수관을 노벽의 수랭관으로 하는 D형배치, 위의 기수드럼과 2개의 수드럼 사이에 수관군을 배치하여 증발량 10t/h로 사용하는 A형배치, 윗부분의 기수드럼에서 노 바깥으로 큰 지름의 강수관을 내려 파이프래크와 연결하고 수랭벽과 S형의 증발관에서 증발시키는 단드럼배치가 있다. 효율이 높아 85%에 이른다. ③ 복사보일러는 수관의 거의 전부를 수랭벽으로 구성하고 열은 연소기체와의 접촉에 의한 것이 아니라 적외선 스토브와 같이 복사열로 전한다. 증발량 1000t/h 이상의 대형은 대부분 이 형식이며 게이지압력 200atm이고 증기의 온도는 600℃에 가깝다. 고압 때문에 물과 증기의 밀도차가 작고 순환이 곤란하므로 노의 높이를 40m 이상으로 하고 증기드럼에서 노 바깥으로 몇 개의 굵은 강수관을 파이프래크까지 내려 순환시킨다.

⑵ 강제순환식보일러:펌프로 물을 강제로 순환시키는 방식인데, 고압이 되면 물의 순환이 나빠진다. 이 방식은 수관의 배치가 자유로운 이점이 있다. 라몬트보일러와 베록스보일러가 있다. ① 라몬트보일러는 순환펌프로 여러 개의 강수관에 강제적으로 물을 보낸다. 수관의 수량을 균일하게 하기 위해 수관과 파이프래크의 결합부에 작은 구멍(오리피스)으로 구성된 라몬트노즐을 설치한다. 단드럼형식에서는 게이지압력 110atm이고 증기온도 530℃이며 증발량 85t/h 정도이다. 또한 복사보일러를 강제순환식으로 한 것은 200atm, 570℃, 1400t/h에 이른다. ② 베록스보일러는 물의 순환펌프와 함께 가스터빈 구동의 공기압축기를 갖춘다. 압송되는 공기에 의해 많은 연료를 연소시키는 것으로 단위부피당 일반 보일러의 25배 정도의 열을 발생한다. 따라서 같은 성능에 대해 소형·경량이고 시동시간도 6분 정도이다.

⑶ 관류보일러:긴 관 속에서 증기를 만드는 것으로 임계압력(증발이 일어나는 한계압력;이것 이상의 압력에서는 물은 증발되지 않고 직접 증기가 된다) 이상의 초임계보일러로 나아가는 추세에 있다. 벤슨보일러와 슐처보일러가 있다. ① 벤슨보일러의 초기 형태는 관의 도중에 파이프래크를 배치하여 물의 합류와 분류를 되풀이해서 노 속을 물이 상승·하강하는 것이었지만 현재는 물이 노벽을 나선 모양으로 상승하는 방식이다. 게이지압력 350atm이고 증기온도 620℃이며 증발량 300t/h의 초임계보일러도 만들어지고 있다. ② 슐처보일러는 도중에 파이프래크가 없고 1개 또는 몇 개의 긴 수관으로 되어 있으며 모노튜브보일러라고도 한다. 게이지압력 350atm이고 증기온도 650℃이며 증발량 900t/h의 초임계보일러까지 있다. 개량형은 관류보일러와 강제순환보일러의 장점을 갖춘 컴바인드서큘레이션보일러가 있는데, 증발량이 적을 때에는 일부의 물을 순환시켜 노벽을 냉각시킨다. 또한 증발량 몇t 이하의 전자동관류보일러는 공장·병원·건설현장 등에서 이용된다.

특수보일러

열원·가열방법·유체 등이 보통과 다른 보일러로 간접가열보일러·폐열보일러·특수연료보일러·특수유체보일러·전기보일러·온수보일러가 있다.

⑴ 간접가열보일러:이중증발보일러라고도 한다. 공급하는 물을 절약하기 위한 보일러로 슈미트보일러·레프라보일러가 대표적이다.

⑵ 폐열보일러:내연기관이나 노의 폐기를 열원으로 한다. 수관보일러가 많은데 고온 가스의 부식성이나 오염된 물의 대책이 필요하다.

⑶ 특수연료보일러:톱밥이나 도시의 쓰레기, 석유정제에서 생기는 일산화탄소기체, 펄프공장의 폐액 등 보통의 연료 이외의 것을 연소시킨다. 열량이 부족할 때에는 보조연료로서 가스와 중유를 이용한다.

⑷ 특수유체보일러:합성 유체의 조성을 조절하여 높은 온도에서 증발하는 포화증기의 압력을 낮추기 위해 사용한다. 최근 폐가스를 이용한 보일러에 프레온 등이 이용된다.

⑸ 전기보일러:잉여전력을 이용하여 작업용이나 난방용의 증기·온수를 만든다. 열선으로 가열시키거나 직접 물에 전기를 통하여 가열하는 소형의 입식보일러로서 효율은 95%에 이르며 시동시간도 짧다.

⑹ 온수보일러:난방용 등의 온수를 만드는 보일러이다. 관류형 등이 사용된다.





Posted by 비회원

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