수관 보일러

고압 수관 보일러(, water-tube 또는 water tube로 표기하기도 함)는 물이 외부의 불에 의해 가열된 관을 통해 순환하는 보일러의 한 종류이다. 연료는 공업로 내부에서 연소되어 뜨거운 가스를 생성하고, 이 가스는 증기 발생관 내부의 물을 끓인다. 소형 보일러에서는 추가적인 발생관이 로와 분리되어 있지만, 대형 발전용 보일러는 로 벽을 구성하는 물로 채워진 관에 의존하여 증기를 발생시킨다.

가열된 물/증기 혼합물은 증기 드럼으로 상승한다. 여기서 포화 증기는 드럼 상단에서 배출된다. 일부 서비스에서는 증기가 뜨거운 가스 경로의 관(과열기)을 통과하여 과열 증기가 된다. 과열 증기는 건조한 가스이므로 일반적으로 터빈을 구동하는 데 사용되는데, 이는 물방울이 터빈 블레이드를 심각하게 손상시킬 수 있기 때문이다.

증기 드럼 하단의 포화수는 대구경 '하강관(downcomer tubes)'을 통해 하부 드럼으로 돌아와 급수를 예열한다. (대형 발전용 보일러에서는 급수가 증기 드럼으로 공급되고, 하강관은 수벽 하단에 물을 공급한다) 보일러의 경제성을 높이기 위해 배기 가스는 버너로 불어넣는 연소 공기를 예열하고 절탄기에서 급수를 예열하는 데도 사용된다. 화력 발전소의 이러한 수관 보일러는 증기 발생 장치라고도 불린다.

물 속에 열원이 있고 연소 가스가 물 공간 내의 관을 통과하는 구형 연관 보일러 설계는 일반적으로 훨씬 약한 구조이며,  이상의 압력에는 거의 사용되지 않는다. 수관 보일러의 중요한 장점은 치명적인 고장 가능성이 적다는 것이다. 보일러 내부에 많은 양의 물이 없으며 고장 나기 쉬운 대형 기계 부품도 없다.

수관 보일러는 1766년 영국의 블레이키(Blakey)가 특허를 받았고, 1780년 프랑스의 달레리(Dallery)가 만들었다.

 응용 
"과도하게 크고 두꺼운 압력 용기를 사용하지 않고 설계할 수 있는 수관 보일러의 능력은 증기 터빈 발전과 같이 건조하고 고압의 고에너지 증기를 필요로 하는 응용 분야에서 특히 매력적이다."

뛰어난 작동 특성으로 인해 수관 보일러는 다음과 같은 주요 분야에서 매우 선호된다.
 산업의 다양한 공정 응용 분야
 화학 처리 부문
 펄프 및 제지 제조 공장
 정제 시설
이 외에도, 아이밴파 발전소와 같이 고압 즉 약 의 압력과 최대 550 °C에 이르는 고온의 많은 양의 증기(최대 500 kg/s)가 일반적으로 요구되는 발전소에서 자주 사용된다. 예를 들어, 아이밴파 발전소 태양열 발전소는 플랜트 가동 준비 및 화석 연료 발전소로 작동할 때 두 대의 렌테크(Rentech) Type-D 수관 보일러를 사용한다.

 정지용 
발전을 위한 현대 보일러는 더 높은 압력에서 작동할 수 있는 능력 때문에 거의 전적으로 수관 설계이다. 난방 또는 화학 성분으로 공정 증기가 필요한 경우, 여전히 연관 보일러를 위한 작은 틈새 시장이 있다. 한 가지 주목할 만한 예외는 일반적인 원자력 발전소(가압수형 원자로)인데, 여기서 증기 발생기는 일반적으로 연관 보일러 설계와 유사하게 구성된다. 이러한 응용 분야에서 "연관"을 통한 뜨거운 가스 경로는 실제로 원자로에서 나오는 매우 뜨겁고 고압의 1차 냉각수를 운반하며, 증기는 관의 외부 표면에서 발생된다.

 해상용 
더 높은 압력에서 작동할 수 있는 능력 덕분에 해상용 보일러는 거의 전적으로 수관식으로 바뀌었다. 이러한 변화는 1900년경부터 시작되었으며, 왕복 (즉, 피스톤) 엔진 대신 추진용 증기 터빈 채택과 함께 진행되었다. 비록 수관 보일러는 왕복 엔진과 함께 사용되었고, 연관 보일러도 많은 해상 터빈 응용 분야에서 사용되었지만 말이다.

 철도용 

철도 기관차에는 수관 보일러가 크게 채택되지 않았다. 소수의 실험적 설계가 생산되었지만, 성공하거나 널리 사용되지는 못했다. 대부분의 수관 철도 기관차, 특히 유럽에서는 슈미트 고압 시스템을 사용했다. 대부분은 복식 증기 기관차였고, 소수는 유니플로우 증기 기관이었다. 노퍽 앤 웨스턴 철도의 존 헨리 (터빈)는 증기 터빈과 전기 변속기를 결합했기 때문에 예외였다.
 LMS 6399 퓨리
 치명적인 사고 후 완전히 재건축됨
 LNER 10000 "허시허시"
 슈미트(Schmidt) 대신 야로우 보일러를 사용했다. 성공적이지 못하여 기존 보일러로 재보일러링되었다.

 하이브리드 
약간 더 성공적인 채택은 하이브리드 수관/연관 시스템의 사용이었다. 기관차 보일러에서 가장 뜨거운 부분은 화실 (기관차)이므로, 여기에 수관을 사용하고 일반적인 위치에 기존 연관 보일러를 절탄기(즉, 예열기)로 사용하는 것이 효과적인 설계였다. 이 중 한 가지 유명한 예는 1926년에 건설된 미국 볼드윈 로코모티브 웍스 4-10-2 볼드윈 60000번이었다. 보일러 압력 의 복식 증기 기관으로 제작되었으며, 운행 중  이상을 성공적으로 주행했다. 그러나 1년 후 어떤 개선도 추가 비용에 압도당한다는 것이 명확해졌고, 필라델피아 프랭클린 연구소의 박물관 전시물로 퇴역했다. 조지 H. 에머슨의 감독하에 볼티모어 앤 오하이오 철도의 클레어 산(Mt. Clare) 공장에서 12대의 실험 기관차가 제작되었지만, 그 중 어느 것도 대량으로 복제되지는 않았다.See chapter on "Experimentals" in 

대량으로 사용된 유일한 수관 기관차 보일러는 1902년 오스트리아의 요한 브로탄이 발명한 브로탄 보일러(Brotan boiler)였는데, 유럽 전역에 드문드문 발견되었지만 헝가리에는 약 1,000대가 운용 중이었다. 볼드윈 60000처럼, 수관 화실과 연관 동체를 결합했다. 브로탄 보일러의 원래 특징은 주 동체 위에 길게 뻗어 있는 증기 드럼으로, 외관상 플라망 보일러와 비슷했다.

 도로용 
트랙션 엔진은 일반적으로 기관차 보일러를 프레임으로 사용했지만, 증기 왜건과 증기자동차와 같은 다른 유형의 증기 도로 차량은 다양한 보일러 유형을 사용했다. 도로 운송 개척자인 골즈워시 거니(Goldsworthy Gurney)와 월터 핸콕(Walter Hancock)은 모두 1830년경 자신들의 증기 마차에 수관 보일러를 사용했다.

대부분의 언더타입 왜건은 수관 보일러를 사용했다. 많은 제조사들이 수직 교차관 보일러의 변형을 사용했는데, 여기에는 세돈 앳킨슨, 클레이튼 앤 셔틀워스, 리처드 개릿 앤 선즈 및 센티넬 왜건 웍스 등이 포함된다. 다른 유형으로는 클락슨 딤블 튜브 보일러 컴퍼니의 '딤블 튜브'와 에드윈 포덴 선즈 앤 컴퍼니의 O형 왜건의 피스톨 보일러가 있다.

증기 소방차 제조사들은 급속한 증기 발생 능력 때문에 주로 수관 보일러를 사용했다. 많은 증기자동차가 수관 보일러를 사용했으며, 볼소버 익스프레스(Bolsover Express) 회사는 심지어 스탠리 스티머 연관 보일러를 대체할 수관 보일러를 만들기도 했다.

 설계 변형 

 D형 보일러 
'D형 보일러'는 개략도에 표시된 것과 유사하게 소형에서 중형 보일러의 가장 일반적인 유형이다. 고정 및 해상 응용 분야 모두에 사용된다. 이 보일러는 여러 개의 증기 발생관을 통해 수직으로 연결된 큰 증기 드럼과 작은 물 드럼(일명 "머드 드럼")으로 구성된다. 이 드럼과 관, 그리고 오일 연소 버너는 수벽으로 둘러싸여 있다. 수벽은 관 사이의 가스 흐름을 방지하기 위해 밀접하게 배치된 추가적인 물로 채워진 관이다. 이 수벽 관들은 증기 드럼과 물 드럼 모두에 연결되어 예열기 및 하강관의 조합 역할을 하며 보일러 껍질로의 열 손실을 줄인다.

 M형 보일러 
M형 보일러는 수백 대의 플레처급 구축함을 포함한 제2차 세계 대전 당시 미국의 많은 전함에 사용되었다. 세 개의 관 세트가 M자형을 이루며, 더 나은 과열 온도 제어를 가능하게 하는 별도로 가열되는 과열기를 생성한다. D형 보일러에 표시된 머드 드럼 외에, M형은 두 개의 추가적인 수직 관 및 하강관 열의 바닥에 수막 헤더와 수벽 헤더를 가지고 있다.

 저수량 보일러 
저수량 보일러는 버너에서 직접 충돌하는 수관으로 연결된 하부 및 상부 헤더를 가지고 있다. 이것은 증기를 생성하고 부하 변화에 빠르게 반응할 수 있는 "노 없는" 보일러이다.

 밥콕 앤 윌콕스 보일러 
미국의 밥콕 앤 윌콕스 사가 설계한 이 유형은 단일 드럼을 가지며, 급수는 드럼 바닥에서 경사진 수관에 공급하는 헤더로 인입된다. 수관은 증기를 다시 드럼 상단으로 공급한다. 화실은 관과 드럼 아래에 위치한다.

이 유형의 보일러는 영국 왕립 해군의 리앤더급 프리깃과 미국 해군의 뉴올리언스급 순양함에 사용되었다.

 스털링 보일러 

스털링 보일러는 여러 개의 증기 드럼과 물 드럼 사이를 지그재그로 오가는 거의 수직에 가까운 직선형 수관을 가지고 있다. 보통 "4드럼" 배치에 세 개의 관 뱅크가 있지만, 특정 응용 분야에서는 다른 수의 드럼과 뱅크로 설계된 변형이 사용된다. 주로 그 큰 크기 때문에 정지용 보일러로 사용되지만, 넓은 화격자 면적은 다양한 연료를 연소할 수 있는 능력을 장려하기도 한다. 원래 발전소에서 석탄을 연료로 사용했지만, 연소 가능한 폐기물을 생산하고 공정 증기를 필요로 하는 산업에서도 널리 보급되었다. 제지 펄프 공장에서는 폐목재 껍질을 태우고, 설탕 정제소에서는 바가스 폐기물을 태울 수 있다. 수평 드럼형 보일러이다.

 야로우 

설계자의 이름을 따서 당시 런던 포플러에 본사를 둔 야로우 조선소가 명명한 이 유형의 삼동 보일러는 Δ자형으로 세 개의 드럼이 수관으로 연결되어 있다. 드럼은 직선 수관으로 연결되어 관 청소가 용이하다. 그러나 이는 관이 드럼으로 다양한 각도로 진입하여 코킹하기 어려운 이음새가 된다는 것을 의미한다. 화실 외부에는 각 드럼 사이에 한 쌍의 콜드 레그 파이프가 하강관 역할을 한다.

세 개의 드럼 때문에 야로우 보일러는 더 많은 수용량을 가지고 있다. 따라서 이 유형은 주로 구형 증기선 보일러 응용 분야에서 사용된다. 그 콤팩트한 크기는 제2차 세계 대전 중 이동식 발전 장치에 사용하기에 매력적이었다. 이동성을 높이기 위해 보일러와 보조 장비(연료유 가열, 펌핑 장치, 팬 등), 증기 터빈, 그리고 복수기가 철도로 운송될 수 있도록 왜건에 장착되었다.

 화이트-포스터 
화이트-포스터(White-Forster) 유형은 야로우(Yarrow)와 비슷하지만 관이 점진적으로 구부러져 있다. 이는 드럼으로의 진입이 수직이 되어 신뢰할 수 있는 밀봉을 더 간단하게 만든다.

 토르니크로프트 
조선업체 존 I. 토르니크로프트 & 컴퍼니가 설계한 토르니크로프트(Thornycroft) 유형은 화실 양쪽에 두 세트의 수관이 있는 단일 증기 드럼을 특징으로 한다. 이 관들, 특히 중앙 세트는 급격한 곡선을 가지고 있다. 청소의 명백한 어려움 외에도, 이것은 관이 가열될 때 굽힘력을 발생시켜 관판에서 느슨해지거나 누출을 유발할 수 있다. 두 개의 화실이 공통 배기구로 배출되어 보일러는 넓은 바닥에서 위로 갈수록 좁아지는 프로파일을 가진다.

 강제 순환 보일러 
강제 순환 보일러에서는 펌프가 추가되어 관을 통한 물의 흐름을 가속시킨다.

 기타 유형 
 O형 보일러
 A형 보일러
 플렉스 튜브 보일러
 M형 제어 과열기

 같이 보기 
 클락슨 딤블 튜브 보일러
 코너 튜브 보일러
 내부 나선형 보일러 튜브 (또는 서브 튜브)
 삼동 보일러

 각주 

 외부 링크 



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