보일러와 그 유형

보일러란?

보일러는 유체(일반적으로 물)가 가열되는 폐쇄된 용기입니다. 액체가 반드시 끓는 것은 아닙니다. 가열되거나 기화된 유체는 물 가열, 중앙 난방, 보일러 기반 발전, 요리 및 위생을 포함한 다양한 공정 또는 난방 응용 분야에서 사용하기 위해 보일러에서 나옵니다.

 

열원

발전용 증기 사이클을 사용하는 화석 연료 발전소에서 주요 열원은 석탄, 석유 또는 천연 가스의 연소입니다. 어떤 경우에는 코크스 배터리의 일산화탄소가 풍부한 배출 가스와 같은 부산물 연료를 연소시켜 보일러를 가열할 수 있으며 경제적으로 이용 가능한 버개스와 같은 바이오 연료도 사용할 수 있습니다.

원자력 발전소에서 증기 발생기라고 하는 보일러는 핵분열에 의해 생성된 열로 가열됩니다.

일부 공정에서 다량의 고온 가스를 사용할 수 있는 경우 열회수 증기 발생기 또는 회수 보일러는 열을 사용하여 추가 연료를 거의 또는 전혀 소비하지 않고 열을 사용하여 증기를 생성할 수 있습니다. 이러한 구성은 다음과 같은 복합 화력 발전소에서 일반적입니다. 가스 터빈과 증기 보일러가 사용됩니다.

모든 경우에 연소 생성물 폐가스는 증기 사이클의 작동 유체와 분리되어 이러한 시스템을 외연 기관의 예로 만듭니다.

 

보일러 효율을 측정하는 방법

보일러 ASME PTC 4에 대한 ASME 성능 테스트 코드(PTC)와 수관 보일러에 대한 HRSG ASME PTC 4.4 및 EN 12952-15의 보일러 효율을 측정하는 두 가지 방법이 있습니다.

▷ 입출력 방식(직접 방식)
▷ 열손실법(간접법)

 

입출력 방식(또는 직접 방식)

보일러 효율 테스트의 직접적인 방법이 더 유용하거나 더 일반적입니다.

보일러 효율 = 전원 출력 / 전원 입력 = Q × (Hg − Hf) / (q × GCV) × 100%

Q, 증기 유량(kg/h)
Hg, 포화 증기 엔탈피(kcal/kg)
Hf, 급수 엔탈피(kcal/kg)
q, 연료 사용 비율(kg/h)
GCV, 총 발열량(kcal/kg)(예: 애완용 콜라 8200kcal/kg)

 

열손실법(또는 간접법)

간접법으로 보일러 효율을 측정하려면 다음과 같은 매개변수가 필요합니다.

연료의 궁극적인 분석(H2, S2, S, C, 수분 구속, 회분 구속)
연도 가스에서 O2 또는 CO2의 백분율
배출구의 연소 가스 온도
주변 온도(°C) 및 공기 습도(kg/kg)
연료의 GCV(kcal/kg)
가연성 연료의 회분 비율
재의 GCV(kcal/kg)

 

보일러 작동 원리

음, 우선 산업용 보일러는 압력솥보다 훨씬 높은 압력에 대처할 수 있습니다.

산업용 보일러 시스템은 종종 두꺼운 강판을 함께 용접하여 만들어지므로 극도로 높은 압력을 가할 수 있습니다.

높은 압력에 대처하려면 엄청나게 강력해야 합니다. 그렇게 하지 않으면 폭발하는 폭탄에 가까운 힘이 발생하기 때문입니다!

보일러의 기능은 뜨거운 물이나 증기를 생산하는 것입니다.

온수 보일러는 가정용 또는 상업용 난방 및 온수 공급을 위해 물을 가열합니다.

증기 보일러는 발전용 터빈 및 기타 다양한 산업용 난방 장치에 전력을 공급하기 위해 증기를 생성합니다.

보일러를 사용한 증기 생성의 효과를 시각화하려면 터빈에 동력을 공급하는 증기를 생각해 보십시오. 증기가 터빈의 블레이드를 통과할 때 힘은 블레이드를 회전시키고 터빈을 가속시킵니다.

증기에는 엄청난 양의 에너지가 포함되어 있으므로 터빈을 매우 효율적으로 만들고 물을 끓이는 데 사용되는 연료에 따라 매우 에너지 효율적이기도 합니다.

 

 

보일러의 종류

쉘 및 튜브 보일러

쉘 및 튜브 보일러는 화재 튜브 또는 연기 튜브 보일러라고도 합니다. Fire-tube 보일러; 용광로의 뜨거운 가스가 통과하고 증기로 변환될 물이 순환하는 긴 강철 튜브가 들어 있습니다.

Fire-tube 보일러는 일반적으로 초기 비용이 낮고 연료 효율이 높으며 작동이 더 쉽습니다. 그들의 용량은 최대 25tons/hr 및 17.5kg/cm2입니다.

 

다양한 유형의 Fire-tube 보일러

1. 콘월 보일러
이들은 고압 Fire-tube 보일러의 초기 형태입니다. 이들은 화재를 포함하는 하나의 큰 굴뚝이 있는 긴 수평 실린더로 구성됩니다. 뜨거운 가스를 생성하기 위해 연소되는 화격자 영역에 연료가 추가됩니다. 뜨거운 가스는 열을 물로 전달합니다.
물은 열을 가하고 얼마 후 끓기 시작하여 증기를 생성합니다. 연소관 끝에 도달한 뜨거운 가스는 두 부분으로 나뉘며, 각각은 양면 굴뚝 중 하나로 이동하여 보일러 전면으로 다시 이동하여 바닥 굴뚝과 바닥 굴뚝으로 이동합니다. 굴뚝으로 데려가십시오.
굴뚝은 이러한 가스를 보일러에서 대기 중으로 던집니다. 최대 열 전달은 Fire-tube 및 쉘 섹션에서 발생한 다음 측면 연도에서 발생하고 마지막으로 하단 연도에서 발생합니다.
효율성을 위해 보일러는 일반적으로 벽돌로 지어진 챔버 아래에 둘러싸여 있습니다.

2. 랭커셔 보일러
Lancashire 보일러는 Cornish와 유사하지만 화재를 포함하는 두 개의 큰 굴뚝이 있습니다. 보일러의 압력 범위는 약 0.7~2MPa이고 효율은 65~70%입니다. 이 보일러의 연료는 가스를 가열하는 화격자에 추가됩니다.
뜨거운 가스는 보일러의 앞부분으로 들어가고 뒤에서 보일러를 빠져나와 바닥 굴뚝으로 들어가 보일러의 앞부분으로 이동하기 시작합니다.
전면 섹션에서 뜨거운 가스는 바닥 굴뚝에서 나와 내부 굴뚝으로 들어가고 다시 보일러 뒤쪽으로 이동하여 주 출구로 들어갑니다. 열의 85%는 뜨거운 가스가 Fire-tube에 있을 때 전달되고 15%는 바닥 및 측면 굴뚝에 있을 때 전달됩니다.

3. 기관차 보일러
기관차 보일러에는 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다.
이중벽 화실;
다수의 작은 연도관을 포함하는 수평의 원통형 "보일러 배럴"; 그리고
굴뚝이 있는 연기 상자, 배기 가스용.
연료는 뜨거운 가스를 생성하기 위해 연소됩니다. 연료는 화재 구멍을 통해 공급됩니다. 뜨거운 가스는 내화 벽돌 아치의 도움으로 Fire-tube로 우회됩니다. 스팀은 쉘 상단에 있는 스팀 드럼에 수집됩니다.
습증기는 과열기의 입구 헤더를 통과하고 튜브를 통과한 후 과열기의 출구 헤더로 되돌아가 증기 기관으로 내보내집니다.
기관차 형 보일러는 견인 엔진, 스팀 롤러, 휴대용 엔진 등에 사용됩니다.
구조에 따라 습식보일러와 건식보일러로 나눌 수 있다.

4. 리버설 챔버
이것은 연도 가스가 첫 번째 통과(로)에서 두 번째 통과 튜브로 이동하는 연소실의 후방 부분입니다.

 

웻백 보일러

습식 백 보일러에서는 이름에서 알 수 있듯이 반전 챔버가 물로 완전히 둘러싸여 있습니다. 연소 역전 챔버는 물로 둘러싸여 있으므로 연도 가스의 열이 최적으로 활용됩니다.

연소실의 어떤 부분도 대기에 개방되어 있지 않고 물로 둘러싸여 있기 때문에 복사 손실이 감소합니다. 이는 손실이 적고 연료비가 적게 든다는 것을 의미합니다. 공급되는 가장 효율적인 현대식 보일러는 웻백(wetback) 유형입니다.

 

드라이 백 보일러

역전 챔버는 건조 백 보일러가 물로 완전히 둘러싸여 있지 않습니다. 뒷부분은 대기에 노출되어 있습니다. 이것은 복사열이 습식 보일러에서처럼 물로 가는 대신 대기로 손실되기 때문에 복사 손실을 증가시킵니다. 이전 세대 보일러는 백이 건조했습니다.
따라서 습식 보일러는 복사 손실을 줄여 연료를 절약합니다.
튜브의 배치에는 배출되기 전에 보일러 노에서 열을 통과시키기 위해 튜브가 통과하는 횟수가 포함됩니다. 이들은 2 패스 및 3 패스 보일러 일 수 있습니다.
튜브 보일러의 배치에 따라 2패스 또는 3패스 보일러가 될 수 있습니다.

1. 투패스 보일러
2회 통과 시 연소 가스는 보일러에서 2회 이동합니다.
연소 가스는 역전 챔버에 들어가기 전에 냉각되어야 합니다. 과도한 온도는 튜브의 과열 및 균열을 일으킵니다. 열 전달 속도는 첫 번째 패스에서 최대이며 이 속도는 패스가 증가함에 따라 감소합니다.

2. 쓰리 패스 보일러
3패스 디자인은 열 전달을 위한 세 가지 기회를 제공합니다. 3 패스의 스택 온도는 동일한 설계 및 작동 압력의 2 패스 보일러의 스택 온도보다 낮습니다. 효율은 2 패스 보일러 이상입니다.
보일러의 각 통로는 최적의 연도 가스 속도를 달성하기 위해 단면적으로 설계되어야 하며, 이는 차례로 열 전달을 최대화하는 동시에 성능을 저하시키는 튜브 내부의 매연 축적을 최소화합니다.

 

수관 보일러

수관 보일러에서 물과 증기는 튜브 내부로 흐르고 뜨거운 가스는 외부 표면 위로 흐릅니다. 현대의 대용량 보일러는 수관식입니다. 보일러 순환 시스템은 증기를 생성하기 위해 물 흐름을 제공하는 배열로 연결된 튜브, 헤더 및 드럼으로 구성됩니다.
수관은 쉘 튜브 보일러보다 높은 압력과 용량을 가지고 있습니다. 이 보일러는 단일 또는 다중 드럼 유형이 될 수 있습니다. 이들은 소방관 보일러보다 효율이 높습니다.
레이아웃에 따라 보일러는 다음과 같이 분류할 수도 있습니다.

1. 세로 드럼 보일러
급수는 드럼의 급수입니다. 드럼은 열원 위에 배치됩니다. 더 차가운 물은 기울어진 튜브로 이동하고 물은 결국 뜨거운 튜브에서 가열됩니다. 물이 끓으면 밀도가 감소하고 뜨거운 물과 증기의 순환이 있습니다.
스팀 드럼에서 스팀이 물과 분리되어 배출됩니다. 세로 드럼 보일러의 범위는 2250kg/h에서 3600kg/h입니다.

2. 크로스 드럼 보일러
이 유형의 드럼은 열원에 십자가에 배치됩니다. 이러한 유형의 배열에서 얻은 온도는 더 균일합니다. 증기 부하가 높으면 상부 튜브가 건조되어 고장날 수 있습니다. 튜브의 레이아웃은 많은 수의 튜브를 사용할 수 있도록 만들어집니다. 크로스 드럼의 용량 범위는 700kh/h ~ 240000kg/h입니다.

3. 스털링 보일러
스털링 보일러에는 여러 증기와 물 드럼 사이에서 지그재그로 움직이는 거의 수직에 가까운 수관이 있습니다. 일반적으로 4개의 드럼 레이아웃에는 3개의 튜브 뱅크가 있습니다.
급수는 왼쪽 상단 드럼으로 들어가고 여기서 하단 드럼으로 떨어집니다. 파이프와 2개의 드럼에 있는 물을 가열하면 생성된 스팀이 상부 드럼으로 상승하여 스팀이 분리되어 배출됩니다.

 

패키지 보일러

이 보일러는 완전한 패키지로 제공됩니다. 작동하려면 증기, 수도관, 연료 공급 및 전기 연결만 있으면 됩니다.
패키지 보일러는 일반적으로 높은 열 전달율을 달성하기 위해 소방관 디자인의 쉘 유형입니다.

패키지 보일러는 완전한 패키지로 제공되기 때문에 소위 말합니다. 일단 현장에 배달되면 증기, 수도관, 연료 공급 및 전기 연결만 있으면 작동 가능합니다. 패키지 보일러는 일반적으로 복사 및 대류 모두에 의해 높은 열 전달율을 달성하기 위해 소방관 설계가 있는 쉘 유형입니다.

패키지 보일러의 특징은 다음과 같습니다.

▷ 연소 공간이 작고 열 방출률이 높아 증발 속도가 빨라집니다.
▷ 좋은 대류 열 전달을 유도하는 작은 직경의 많은 수의 튜브.
▷ 강제 또는 유도 드래프트 시스템으로 연소 효율이 좋습니다.
▷ 패스 수를 통해 전반적인 열 전달이 향상됩니다.
▷ 다른 보일러에 비해 열효율이 높습니다.

 

보일러는 어떤 유형의 연료를 사용할까?

연소는 연료원을 태우는 과정입니다. 반응을 일으키려면 연료원, 열 및 산화제가 있어야 합니다.

보일러는 다양한 기술을 사용하여 특정 연료를 연소하도록 설계할 수 있지만 여기서 고려해야 할 주요 구성 요소는 열원 또는 연료로 알려져 있습니다.

연료는 보일러에서 가장 중요한 요소 중 하나로 보일러 내부에서 연소되어 열을 발생시키는 역할을 합니다.

사용할 수 있는 소스는 다양합니다.

▷ 석탄은 표준 연료 공급원입니다. 산업용 보일러 응용 분야에서 석탄은 전통적인 벽돌보다 더 완전하게 연소되기 때문에 미세한 분말로 분쇄되는 경향이 있습니다.
▷ 전기는 저항 가열 코일 또는 전극 유닛에 의해 열원으로 사용될 수 있습니다. 전기는 일반적으로 소규모 상업용 또는 가정용으로만 사용됩니다.
▷ 전극 유형 응용 프로그램은 효과적으로 작동하기 위해 매우 높은 수질과 전도성이 필요합니다. 전극 사이의 아크를 방지하기 위해 절연체를 청소해야 하므로 유지 관리도 전극 유형 응용 분야의 핵심입니다.
▷ 가스 연소 보일러는 프로판 또는 천연 가스를 사용하여 작동하는 반면 오일 연소 보일러는 가솔린 또는 석유 기반 유체를 사용하여 작동합니다.

 

산업용 보일러 적용 사례

보일러가 사용되는 용도는 매우 다양합니다.

특히, 식품 산업에서 사용됩니다. 다양한 생산 단계에서 식품은 가공될 때 가열하거나 끓여야 합니다. 보일러의 흥미로운 사용은 맥주 양조에 있습니다!

맥주 양조 과정에서 맥아는 갈아서 물과 섞어야 하는 매싱(mashing)이라는 과정이 필요합니다. 그런 다음 이 '매시'는 발효를 일으키기 위해 효모가 도입되기 몇 시간 동안 증기를 사용하여 가열됩니다.