연관 보일러

연관 보일러()는 1828년 마르크 세갱이 발명한 보일러의 한 종류로, 뜨거운 가스가 화실에서 물이 밀폐된 용기를 관통하는 하나 이상의 튜브를 통과한다. 가스의 열은 튜브 벽을 통해 열전도에 의해 전달되어 물을 가열하고 궁극적으로 증기를 생성한다.

연관 보일러는 네 가지 주요 역사적 보일러 유형 중 세 번째로 개발되었다: 저압 탱크 또는 "건초 더미 보일러" 보일러, 하나 또는 두 개의 큰 연도관이 있는 연도 보일러, 많은 작은 튜브가 있는 연관 보일러, 그리고 고압 수관 보일러이다. 하나의 큰 연도관이 있는 연도 보일러에 비해 연관 보일러의 장점은 동일한 전체 보일러 부피에 대해 훨씬 더 넓은 가열 표면적을 제공한다는 것이다. 일반적인 구조는 화실에서 나오는 뜨거운 연도 가스를 운반하는 튜브가 관통하는 물 탱크이다. 탱크는 대부분 원통형이다 – 가압 용기에 대해 가장 강력하고 실용적인 형태이므로 – 그리고 이 원통형 탱크는 수평 또는 수직일 수 있다.

이러한 유형의 보일러는 거의 모든 증기 기관차에 수평 "기관차" 형태로 사용되었다. 이 보일러는 연관을 포함하는 원통형 배럴을 가지고 있지만, 한쪽 끝에는 "화실"을 수용하는 확장이 있다. 이 화실은 넓은 화격자 면적을 제공하기 위해 개방된 바닥을 가지고 있으며 종종 원통형 배럴을 넘어 직사각형 또는 테이퍼형 인클로저를 형성한다. 수평 연관 보일러는 스코치 보일러를 사용하는 해양 응용 분야에서도 일반적이다. 따라서 이러한 보일러는 일반적으로 "스코치-해양" 또는 "해양" 유형 보일러로 불린다. 수직 보일러도 다중 연관 유형으로 제작되었지만, 이들은 비교적 드물다. 대부분의 수직 보일러는 연도형이거나 교차 수관형이었다.

 작동 
섬네일|right|"기관차" 유형 연관 보일러의 개략도
기관차형 보일러에서는 화실에서 연료가 연소되어 뜨거운 연소 가스를 생성한다. 화실은 길고 원통형인 보일러 셸에 연결된 물 냉각 재킷으로 둘러싸여 있다. 뜨거운 가스는 보일러를 관통하는 일련의 연관 또는 연도관을 따라 흐르면서 물을 가열하여 포화("습한") 증기를 생성한다. 증기는 보일러의 가장 높은 지점인 증기 돔으로 올라가 모인다. 돔은 보일러에서 증기 배출을 제어하는 조절기가 있는 곳이다.

기관차 보일러에서는 포화 증기가 종종 과열기로 보내져 보일러 상단의 더 큰 연도관을 통해 다시 통과하여 증기를 건조시키고 과열 증기로 가열한다. 과열 증기는 증기기관의 실린더 또는 매우 드물게 터빈으로 보내져 기계적 일을 생산한다. 배기 가스는 굴뚝을 통해 배출되며, 보일러의 효율을 높이기 위해 급수를 예열하는 데 사용될 수 있다.

연관 보일러, 특히 해양 응용 분야의 경우 통풍은 일반적으로 높은 연통으로 제공된다. 조지 스티븐슨의 로켓호 이래 모든 증기 기관차에서는 블라스트 파이프를 통해 실린더에서 배기 증기를 연통으로 유도하여 부분적인 진공을 제공함으로써 추가적인 통풍을 공급한다. 현대 산업용 보일러는 팬을 사용하여 보일러의 강제 통풍 또는 유도 통풍을 제공한다.

로켓호의 또 다른 주요 발전은 단일 대형 연도관 대신 수많은 작은 직경의 연관(다중 튜브 보일러)을 사용했다는 점이다. 이는 열 전달을 위한 표면적을 크게 증가시켜 훨씬 빠른 속도로 증기를 생산할 수 있게 했다. 이것이 없었다면 증기 기관차는 강력한 원동기로 효과적으로 발전할 수 없었을 것이다.

 종류 
관련 조상 유형에 대한 자세한 내용은 연도 보일러를 참조하십시오.

 콘월 보일러 

연관 보일러의 가장 초기 형태는 리처드 트레비식의 "고압" 콘월 보일러였다. 이것은 화실을 포함하는 단일의 큰 연도관이 있는 긴 수평 원통형 보일러이다. 화실 자체는 이 연도관을 가로지르는 철제 화격자 위에 있었고, 불연성 잔여물을 모으기 위한 얕은 재받이가 그 아래에 있었다. 오늘날에는 저압(아마도 )으로 간주되지만, 원통형 보일러 셸의 사용은 토머스 뉴커먼 시대의 초기 "건초 더미" 보일러보다 더 높은 압력을 허용했다. 화실은 자연 통풍 (공기 흐름)에 의존했기 때문에, 화실에 충분한 공기(산소)를 공급하기 위해 연도관의 먼 끝에 높은 굴뚝이 필요했다.

효율성을 위해 보일러는 일반적으로 벽돌로 지은 챔버 아래에 덮여 있었다. 연도 가스는 화실을 통과한 후 이 챔버를 통해 철제 보일러 셸 외부로, 그리고 이제 보일러 전면에 배치된 굴뚝으로 이동했다.

섬네일|right|독일의 랭커셔 보일러

 랭커셔 보일러 

랭커셔 보일러는 콘월 보일러와 유사하지만, 화실을 포함하는 두 개의 큰 연도관을 가지고 있다. 랭커셔 보일러는 윌리엄 페어번이 1844년에 보다 효율적인 보일러의 열역학적 이론적 고찰을 통해 발명했으며, 이는 그가 물의 부피에 대한 화격자 면적을 증가시키도록 이끌었다.

후기 개발에서는 갤러웨이 튜브(발명가의 이름을 따서 1848년에 특허를 받음)를 추가했다. 이는 연도관을 가로지르는 수관으로, 가열 표면적을 증가시켰다. 이들은 직경이 큰 짧은 튜브이며 보일러는 비교적 낮은 압력을 계속 사용하므로 여전히 수관 보일러로 간주되지 않는다. 튜브는 단순히 연도관을 통한 설치를 용이하게 하기 위해 테이퍼져 있다.

섬네일|right|스코치 해양 보일러의 측면 단면도: 화살표는 연도 가스 흐름 방향을 보여준다; 연소실은 오른쪽에, 연기실은 왼쪽에 있다.

 스카치 마린 보일러 

스카치 마린 보일러는 이전 모델들과는 달리 많은 수의 소구경 튜브를 사용한다는 점에서 이전 제품들과 크게 다르다. 이는 부피와 무게에 비해 훨씬 더 넓은 가열 표면적을 제공한다. 화실은 여전히 단일의 큰 직경 튜브이며, 그 위에 많은 작은 튜브들이 배열되어 있다. 이들은 연소실(보일러 셸 내부에 완전히 포함된 밀폐된 공간)을 통해 서로 연결되어 연관을 통한 연도 가스의 흐름이 뒤에서 앞으로 향하게 한다. 이 튜브들의 전면을 덮는 밀폐된 연기실은 위로 굴뚝 또는 굴뚝으로 연결된다. 일반적인 스카치 보일러는 한 쌍의 화실을 가졌고, 더 큰 보일러는 세 개의 화실을 가졌다. 이보다 큰 크기, 예를 들어 대형 증기선의 경우, 여러 대의 보일러를 설치하는 것이 더 일반적이었다.

 기관차 보일러 
섬네일|샤이 기관차 보일러를 관리하는 작업자.
기관차 보일러는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 이중 벽 화실, 수많은 작은 연도관을 포함하는 수평 원통형 "보일러 배럴", 그리고 배기 가스를 위한 연기실과 굴뚝이다. 보일러 배럴은 과열기 요소가 있는 경우 이를 운반하기 위한 더 큰 연도관을 포함한다. 기관차 보일러에서는 연기실의 블라스트 파이프를 통해 배기 증기를 배기 장치로 다시 분사하여 강제 통풍을 제공한다.

기관차형 보일러는 또한 트랙션 엔진, 증기 롤러, 이동식 엔진 및 기타 일부 증기 도로 차량에 사용된다. 보일러의 내재된 강도 덕분에 차량의 기반으로 사용된다. 바퀴를 포함한 다른 모든 구성 요소는 보일러에 부착된 브래킷에 장착된다. 이러한 유형의 보일러에 과열기가 설계된 경우는 드물며, 일반적으로 철도 기관차 유형보다 훨씬 작고(그리고 더 간단하다).

기관차형 보일러는 오버타입 증기 왜건의 특징이기도 하다. 이는 트럭의 증기 동력 전신이다. 그러나 이 경우에는 무거운 거더 프레임이 차량의 하중 지지 섀시를 구성하고, 보일러는 여기에 부착된다.

 테이퍼 보일러
일부 철도 기관차 보일러는 화실 끝에서 직경이 더 크고 연기실 끝에서 직경이 더 작도록 테이퍼져 있다. 이는 무게를 줄이고 물 순환을 개선한다. 많은 후기 영국 대서부 철도 및 런던, 미들랜드 및 스코틀랜드 철도 기관차는 테이퍼 보일러를 사용하도록 설계되거나 개조되었다.

 수직 연관 보일러 

속칭 "수직 보일러"라고도 불리는 수직 연관 보일러(VFT)는 여러 개의 수직 연도관을 포함하는 수직 원통형 셸을 가지고 있다.

 수평 회귀 연관 보일러 
섬네일|슈타츠바드 바트 슈테벤 GmbH의 수평 회귀 연관 보일러
수평 회귀 연관 보일러(HRT)는 여러 개의 수평 연관 튜브를 포함하는 수평 원통형 쉘을 가지고 있으며, 화실은 보일러 쉘 바로 아래, 보통 벽돌 구조 내부에 위치한다.

 해군형 직관 보일러 
영국에서 초기 철갑선 시대 이전에 광범위하게 사용되었는데, 유일하게 보호되는 장소는 수선 아래, 때로는 장갑 갑판 아래였기 때문에 짧은 갑판 아래에 맞추기 위해 튜브가 화실 위로 되돌아가지 않고 연소실을 두 화실 사이에 두고 곧바로 이어졌다. 따라서 보편적인 스코치 보일러 또는 회귀 튜브 보일러에 비해 이름이 붙여지고 직경이 상당히 감소했다. 이것은 큰 성공을 거두지 못했고 더 강력한 측면 장갑이 도입된 후 사용이 중단되었다 – “화실 상부는 수위와 매우 가까워 과열되기 쉽다. 또한 보일러의 길이가 길기 때문에 동일한 경사각에 대해 수위에 미치는 영향이 훨씬 더 크다. 마지막으로, 보일러의 길이와 직경 사이의 증가된 비율로 인해 보일러의 여러 부분, 특히 상단과 하단의 불균일한 팽창이 더욱 두드러진다. 또한 길고 낮은 보일러의 비교적 미약한 순환으로 인해 국부적인 변형도 더 심하다.” 이 모든 것이 수명 단축으로 이어졌다. 또한 동일한 길이의 연소실은 적어도 배플이 없으면 회귀 튜브 보일러보다 직관 보일러에서 훨씬 덜 효과적이었다.

 침지식 보일러 
침지식 보일러는 1940년대 Sellers Engineering에서 개발한 단일 패스 연관 보일러이다. 이 보일러는 연소실 역할도 하는 연관만을 가지며, 여러 개의 버너 노즐이 가압된 사전 혼합 공기와 천연 가스를 분사한다. 이 방식은 열응력 감소를 주장하며, 구조상 내화 벽돌이 전혀 필요 없다.

 변형 
 수관 
연관 보일러는 가열 표면을 늘리기 위해 수관을 함께 사용하기도 한다. 콘월 보일러는 연도관 직경을 가로지르는 여러 개의 수관을 가질 수 있다(이는 증기 런치에서 흔하다). 넓은 화실을 가진 기관차 보일러는 아치 튜브나 써믹 사이펀을 가질 수 있다. 화실 기술이 발전하면서, 화실 내부에 내화 벽돌(내열 벽돌)로 만든 배플을 설치하여 뜨거운 연도 가스 흐름을 연관으로 흐르기 전에 화실 상단으로 유도하는 것이 상부 연관과 하부 연관 사이의 열을 균등하게 하여 효율성을 높인다는 것이 밝혀졌다. 이를 제자리에 고정하기 위해 금속 브래킷이 사용되었지만, 이 브래킷이 타거나 침식되는 것을 방지하기 위해 수관으로 만들어졌으며, 보일러 바닥의 차가운 물이 가열되면서 대류에 의해 위로 이동하여 금속이 파괴 온도에 도달하기 전에 열을 제거했다.

가열 표면을 늘리는 또 다른 기술은 보일러 튜브 내부에 내부 라이플링을 포함하는 것이다 (서브 튜브라고도 함).

모든 셸 보일러가 증기를 생성하는 것은 아니다. 일부는 가압된 물을 가열하기 위해 특별히 설계되었다.

 역화염 
랭커셔 디자인에 대한 오마주로, 현대 셸 보일러는 트윈 화실 디자인으로 출시될 수 있다. 최근의 발전은 버너가 막힌 화실로 발화하고 연소 가스가 스스로 되돌아가는 역화염 디자인이다. 이는 더 컴팩트한 디자인과 더 적은 배관을 초래한다.

 패키지 보일러 
"패키지" 보일러라는 용어는 20세기 초중반에 발전했다. 이 용어는 모든 단열재, 전기 패널, 밸브, 게이지, 연료 버너가 제조업체에서 이미 조립되어 설치 현장으로 배송되는 주거용 난방 보일러를 설명하는 데 사용된다. 다른 배송 방법은 석탄 연소 시대의 이전 관행과 더 유사하다. 즉, 조립된 압력 용기에 또는 "노크다운" 보일러(압력 용기가 현장에서 조립될 주조물 세트로 배송되는 경우)에 다른 구성 요소가 현장에서 추가되었다. 일반적으로 공장 조립이 훨씬 더 비용 효율적이며 패키지 보일러는 가정용으로 선호되는 옵션이다. 부분 조립 배송은 접근 제한으로 인해 필요한 경우에만 사용된다. 예를 들어, 지하실 설치 현장으로의 유일한 접근이 좁은 계단을 통한 경우이다.

섬네일|1974년 25 마력 등급의 케와니 가스 연소 패키지 연관 보일러

 안전 고려 사항 

연관 보일러 자체가 압력 용기이므로 기계적 고장을 방지하기 위한 여러 안전 기능이 필요하다. 보일러 증기 폭발은 BLEVE (비등액 팽창 증기 폭발)의 일종으로 파괴적일 수 있다.
 안전 밸브는 위험한 압력이 발생하기 전에 증기를 방출한다.
 가용 플러그는 화실 플레이트보다 낮은 온도에서 녹아 물 수위가 너무 낮아 화실 상부를 안전하게 냉각할 수 없을 때 시끄러운 증기 배출로 작업자에게 경고한다.
 스테이 또는 타이(tie)는 화실과 보일러 케이스를 물리적으로 연결하여 변형을 방지한다. 부식이 숨겨져 있기 때문에 스테이에는 텔-테일이라고 불리는 종방향 구멍이 뚫려 있어 안전하지 않게 되기 전에 누출된다.

스탠리 스티머 자동차에 사용된 연관 보일러는 수백 개의 튜브를 가지고 있었는데, 이 튜브들은 보일러의 외피보다 약해서 보일러가 폭발하기 한참 전에 튜브가 파손되고 누출되어 사실상 폭발이 불가능했다. 스탠리 보일러가 처음 생산된 이후 거의 100년 동안 단 한 번도 폭발한 적이 없다.

 경제성 및 효율성 
 과도한 사이클링 
보일러가 켜지고 꺼질 때마다 효율성이 떨어질 수 있다. 연소가 시작될 때 연소 효율은 일반적으로 안정 상태 조건이 될 때까지 더 낮다. 연소가 멈추면 따뜻한 굴뚝은 식을 때까지 내부 공간에서 추가 공기를 계속 끌어들인다.

과도한 사이클링을 최소화할 수 있다
 변조 보일러는 비변조 보일러(전체 발화율로 작동)보다 더 오래(부하에 맞는 발화율로) 작동할 수 있다.
 응축 변조 보일러를 사용함으로써.
 비응축 변조 보일러를 사용함으로써.
 정지 및 시작 사이에 더 큰 온도 차이를 갖는 제어 장치(온도 센서가 있는 서모스탯 또는 컨트롤러)를 설정함으로써.
 비응축 보일러의 경우, 연도 가스의 수증기가 응축되고 연도 가스에서 CO2 및 SO2가 용해되어 탄산 및 황산과 같은 부식성 유체를 형성하는 것을 방지하기 위해 보일러로 유입되는 최소 환수 온도를 에서 로 설정한다.
 최소 꺼짐 시간을 8분에서 15분으로 설정함으로써. 쾌적 난방 부하의 경우, 짧은 시간 간격은 일반적으로 거주자 불만을 유발하지 않는다.

일반적인 조치는 펌프가 있는 1차 배관 루프와 펌프가 있는 2차 배관 루프를 제공하는 것이다. 그리고 1차 루프에서 2차 루프로 물을 이동시키는 가변 속도 제어 펌프 또는 2차 루프에서 1차 루프로 물을 전환시키는 3방향 밸브를 제공하는 것이다.

 비응축 보일러의 화실 부식 
연도 가스에서 수증기가 응축되고 연도 가스에서 CO2 및 SO2가 용해되어 탄산 및 황산과 같은 부식성 유체를 형성하여 열교환기를 손상시키는 것을 방지하기 위해 특정 설계에 따라 보일러로 유입되는 최소 환수 온도는  ~ 이다.

 응축 보일러 
응축 보일러는 연도 가스 내 수증기에서 증발열을 추출하여 낮은 발화율에서 2% 이상 효율이 높아질 수 있다. 효율 증가량은 연료와 전체 에너지 중 회수 가능한 에너지의 비율에 따라 달라진다. 메탄 연도 가스는 프로판이나 연료유보다 회수 가능한 에너지가 더 많다. 응축수는 연도 가스의 용해된 이산화탄소와 황산화물로 인해 부식성이 있으므로 폐기 전에 중화해야 한다.

응축 보일러는 비응축 보일러(일반적으로 70% ~ 75%)보다 더 높은 계절 효율(일반적으로 84% ~ 92%)을 가진다. 계절 효율은 보일러의 전체 난방 기간 동안의 전반적인 효율이며, 보일러가 활발하게 연소될 때의 효율(정지 손실 제외)인 연소 효율과는 다르다. 더 높은 계절 효율은 부분적으로 연도 가스를 응축하는 데 사용되는 낮은 보일러 온도가 비작동 주기 동안의 정지 손실을 줄이기 때문이다. 낮은 보일러 온도는 응축 증기 보일러를 불가능하게 하고 수계에서는 더 낮은 라디에이터 온도를 요구한다.

응축 영역에서 작동하는 더 높은 효율이 항상 이용 가능한 것은 아니다. 만족스러운 가정용 온수를 생산하기 위해서는 열교환기 표면에서 효과적인 응축을 허용하는 것보다 더 높은 보일러 수온이 자주 필요하다. 추운 날씨에는 건물의 라디에이터 표면적이 낮은 보일러 온도에서 충분한 열을 전달하기에 충분하지 않으므로 보일러 제어 장치는 난방 수요를 충족시키기 위해 필요한 만큼 보일러 온도를 높인다. 이 두 가지 요인은 다른 설치에서 경험하는 효율성 증가의 대부분의 변동성을 설명한다.

 유지보수 
고압 철도 증기 보일러를 안전한 상태로 유지하려면 강도 높은 유지보수 일정이 필요하다.

 일일 점검 
튜브 플레이트, 가용 플러그 및 화실 스테이 헤드의 누출 여부를 확인해야 한다. 보일러 부속품, 특히 수위계와 급수 메커니즘의 올바른 작동을 확인해야 한다. 증기 압력은 안전 밸브가 작동하는 수준까지 올려 압력계의 지시와 비교해야 한다.

 세척 
섬네일|기관차 보일러의 단면도. 화실 주변의 좁은 수관 공간과 크라운 시트에 접근하기 위한 "진흙 구멍"에 유의하십시오. 이 부분은 세척 시 특별한 주의가 필요하다. 기관차 보일러의 수명은 끊임없는 냉각 및 가열 주기로부터 보호될 때 상당히 연장된다. 역사적으로 기관차는 약 8~10일 동안 연속적으로 "증기 상태"로 유지된 다음, 뜨거운 물로 보일러를 세척하기에 충분히 냉각되었다. 급행 엔진의 일정은 주행 거리에 따라 정해졌다.Bell, A M (1957): Locomotives, seventh edition, Virtue and Company, London. 오늘날 보존된 기관차는 일반적으로 계속 증기 상태로 유지되지 않으며 권장 세척 간격은 이제 15~30일이지만 최대 180일까지 가능하다.

이 과정은 보일러에 압력이 남아 있는 동안 “블로우다운”으로 시작하고, 그 다음 화실 바닥의 “머드홀”을 통해 모든 보일러 물을 배출하고 모든 “세척 플러그”를 제거한다. 그 다음 고압 물 분사기와 구리 같은 부드러운 금속 막대를 사용하여 내부 표면에서 스케일을 분사하거나 긁어낸다. 화실 상부와 화실 주변의 좁은 수관 공간과 같이 스케일 축적에 특히 취약한 부분은 특별히 주의한다. 플러그 구멍을 통해 보일러 내부를 검사하고, 연관, 화실 상부 및 스테이의 무결성, 보일러 플레이트의 구멍 또는 균열이 없는지 특히 확인한다. 수위계 콕과 튜브, 가용 플러그는 스케일을 제거해야 한다. 가용 플러그의 코어가 석회화 징후를 보이면 해당 품목을 교체해야 한다.

재조립 시에는 나사형 플러그가 원래 구멍에 다시 장착되도록 주의해야 한다. 재나사로 인해 테이퍼가 달라질 수 있다. 머드홀 도어 개스킷이 석면인 경우 교체해야 하지만, 납으로 만든 개스킷은 재사용할 수 있다. 이러한 유해 물질의 폐기에 대한 특별 지침이 시행 중이다. 오늘날 많은 보일러는 작업 환경과 보존 서비스 모두에서 개스킷용으로 고온 합성 물질을 사용하는데, 이러한 물질이 역사적 옵션보다 더 안전하기 때문이다. 대규모 유지보수 시설에서는 기관차를 더 빨리 서비스에 복귀시키기 위해 보일러를 외부 공급 장치에서 매우 뜨거운 물로 세척하고 다시 채웠을 것이다.

 정기 검사 
일반적으로 연간 검사에서는 인젝터, 안전 밸브, 압력계와 같은 외부 부속품을 제거하고 점검해야 한다. 고압 구리 배관은 사용 중에 가공 경화되어 위험하게 부서지기 쉬우므로 재장착 전에 어닐링으로 처리해야 할 수도 있다. 보일러와 배관에 대한 수압 시험도 필요할 수 있다.

 일반 오버홀 
영국에서는 전체 오버홀 간 최대 간격이 10년으로 지정되어 있다. 전체 검사를 가능하게 하기 위해 보일러는 기관차 프레임에서 들어 올려지고 단열재가 제거된다. 모든 연관은 점검 또는 교체를 위해 제거된다. 모든 부속품은 오버홀을 위해 제거된다. 사용으로 돌아가기 전에 자격을 갖춘 검사관이 보일러의 서비스 적합성을 확인하고 10년 동안 유효한 안전 인증서를 발급한다.

미국에서는 대부분의 증기 기관차에 1472일(약 4년)의 서비스 제한이 부과된다. 이 한도에 도달하면 기관차는 검사 및 필요한 수리를 위해 분해되어야 한다.

 각주 

 외부 링크 

 A locomotive boiler
 Picture gallery showing boiler internal features and defects.
 BS EN 12953 is the relevant contemporary standard, which supersedes BS2790.
 US Patent 5558046 – fire-tube boiler suitable for ash-containing fuels


분류:기관차 부품