세탁 산업에서 가장 많이 사용되는 세 가지 형태의 보일러에 대해 알아본다.
화관 보일러
화관 보일러(fire-tube boiler)는 연료 가스가 튜브 안으로 통과한다. 그리고 이를 둘러싸고 있는 물이 연소 가스의 열에 의해 데워진다. 모든 화관 보일러는 수직 또는 수평으로 놓인 직선 튜브를 갖고 있다. 튜브의 모습은 파이프에 가깝다고 할 수 있다. 수직형 튜브를 갖고 있는 보일러는 대개 마력 수가 15 마력 이하이다.
화관 보일러와 관련돼 사용하는 용어 중 뜨거운 가스가 튜브를 몇 차례 통과하느냐를 말하는 것이 있다. 수직형 보일러는 대개 한 번만 통과하고 그래서 이를 싱글-패스(single-pass) 보일러라고 부른다. 표준형 수평형 보일러는 투-패스이며, 두 번째 통과하는 것을 “리턴 플로우”(return flow)라고 부른다. 그래서 이런 형태의 보일러를 수평형 리턴 튜브 보일러(HRT)라고 부른다. 이런 형태의 보일러는 내부적으로 가열되므로 연소 방(fire box)을 위한 별도의 벽돌이 불필요하다.
HRT 보일러는 설치가 쉽다. 튜브는 앞에서 뽑을 수 있어 관리가 간단하다. 직경이 큰 튜브와 대용량의 스팀 발생 면적 덕분에 스팀 수요가 가장 높은 피크 로드(peak load)에서 약간의 효율 손실만으로 40% 이상의 여유 스팀을 제공한다.
화관을 둘러싸고 있는 물의 양이 많고, 마력 당 5 입방 피트에 불과한 적은 가열 면적 때문에, 화관 보일러는 풀 스팀 압력에 도달하는 시간이 수관 보일러(water tube boiler)보다 늦다. 보일러 앞판(front plate)과 뒷판(back plate)은 떼어 내기 쉬워 튜브 검사와 청소를 쉽게 할 수 있다.
특수 디자인의 개조형 ART 화관 보일러는 가열 면적이 마력 당 10 평방 피트여서 더 안정적이고 균일하게 열을 보일러 물에 전달할 수 있다. 덕분에 효율이 높고 풀 스팀 압력에 더 빨리 도달한다. 대형 연소실은 내화 벽돌로 완전히 보호돼 있고 라임과 스케일 영향을 덜 받는다. 이 보일러는 작업 피크에 수 마력을 더 발생하면서도 운용 및 관리상 문제가 적다.
두 번 이상 패스하는 보일러도 있는데 이는 “스페셜티 보일러” 또는 “팩키지 된 스캇치 마린 보일러”라고 부른다. 삼중 패스 화관 보일러인 경우, 굴뚝이 맨 뒤에 자리하고 있다. 이 보일러는 “드라이 백”(dry back)과 “웨트 백”(wet back) 두 종류가 있다. 드라이 백은 내화성 뒤 또는 튜브 쉬트 사이에 내화판(refractory baffle)이 설치돼 있다. 웨트 백은 교환하거나 관리해야 할 내화성 뒤이나 내화판이 없다. 웨트 백은 온도가 균일한 독립된 튜브 쉬트를 갖고 있다.
삼중 또는 사중 패스 드라이 백 보일러는 튜브 쉬트의 온도 차이가 커 일찍 튜브가 망가지거나 튜브 쉬트에 금이 갈 수 있다.
대부분의 화관 보일러는 튜브 안에 경제성을 높여 주는 배플 또는 “터뷸레이터”(turbulator: 요동치게 만드는 장치)가 들어 있어 지나가는 뜨거운 가스의 요동을 증가시켜 열 전도를 높이고 튜브 내 검댕을 청소할 수 있게 해 놓았다.
이 보일러는 마력 당 가열 표면적이 5 평방 피트이며 열 효율은 이중 패스 보일러보다 조금 높다. 이 보일러는 수요가 높을 때 5~20 마력까지 더 낼 수 있었다.
수관 보일러
수관 보일러(water tube boiler)는 튜브 안으로 뜨거운 가스가 아니라 물이 지나간다. 그리고 튜브를 둘러싼 뜨거운 가스가 물을 데운다. 수관 보일러에는 담겨 있는 물이 더 적으므로 스팀 발생이 빨라 용량에 따라 10~15 분만에 풀 스팀에 도달한다.
구조 상 수관 보일러는 물의 흐름이 튜브에 의해 방해받지 않고 더 빨라 열 전달 효율이 더 높다. 물 양이 적고 흐름이 빠른 덕분에 8 평방 피트의 가열 표면적이 1 마력을 낸다.
수관 보일러 안을 보면 한쪽으로 기울여 놓은 직선 및 굽힌 튜브가 들어 있다. 가장 간단한 형태의 수관 보일러는 “세로 드럼 보일러”(longitudinal drum tube)이다. 워터 튜브에 연결된 드럼은 보일러 길이와 같다. 교차 드럼 보일러(cross-drum boiler)인 경우 드럼이 보일러 너비를 가로지른다.
세 번째 형태의 수관 보일러는 “수직 스팀 발생기”(vertical steam generator)로 마루 공간을 적게 차지하지만 대개 마력 수가 낮다.
경우에 따라 수관 보일러는 자기 용량의 5배까지 생산할 수 있다. 하지만 워터-튜브 보일러는 모두 강철로 만들어져 구입 경비가 더 비싸다. 또 작업 현장에서 조립하도록 분해돼서 선적시킬 경우 설치 경비가 더 비싸다. 필자는 17 마력 짜리 세로 드럼 수관 보일러가 있었는데, 이는 수 개의 핫 워터 교환기에 스팀을 공급했고, 또 하나의 대형 보일러 백업으로 사용됐다. 이는 쉽게 자기 용량을 초과해 작업할 수 있었고 관리 사항도 아주 적다.
“굽힌 튜브를 가진 균형 팩키지된 수관 보일러”(balanced packaged water tube boiler with bent tubes)는 이중 드럼, 다중 패스의 수관 보일러인데, 다섯 개의 수직 패스는 워터 월 튜브(water wall tube)에 의해 분리시킴으로써 가스 이동 거리를 최대화 시켰다. 튜브들은 양끝에 쇠테(ferrule)를 달아 드럼에 삽입돼 있다. 이는 칼라를 조이면 쉽게 교환할 수 있다. 모든 보일러 부품은 볼트로 고정시켜 관리와 조립이 쉽다.
튜브들은 크기가 같아 보일러 전체에 걸쳐 신속하고 균일하고 균형 잡힌 순환이 가능해 최상의 열 전도와 운영 효율을 전달한다. 전반적인 열 효율은 80%가 넘는다. 튜브를 대칭으로 배치한 덕분에 수관 팩키지 크기가 최소화 돼 마루 공간을 최소한으로 차지한다.
연소실 크기가 아주 큰 덕분에 균형 팩키지된 수관 보일러는 산화 질소 배기량이 가장 낮다. 버너 수명도 아주 길다. 요즘엔 EPA가 보일러 배기를 규제하므로 이 점이 매우 중요하다고 하겠다.
여러 번 지나가는 대칭을 이룬 수관 배열 덕분에 열 쇼크(thermal shock)는 거의 제거되다시피 했다. 균형 잡힌 흐름(flow)과 열 전달 덕분에 최고 150℉의 온도 차이에서도 작동할 수 있다. 대부분의 메이커들은 압력 용기에 대해 열 쇼크에 대한 20년 워런티를 제공한다.
두 개의 다운-커머(down-comer; 보일러 앞과 뒤에서 수직으로 연결된 대형 튜브) 덕분에 물의 흐름이 자연적으로 달성되므로 별도의 순환 펌프가 불필요하다. 풀 스팀 압력은 대개 10 분만에 도달된다.
수관 보일러 중에는 튜브를 개별적으로 제거할 수 있게 만든 것도 있다. 각 튜브 구간을 유니온으로 연결시켜, 각 구간을 캐비넷 도어를 통해 저렴한 경비만으로 쉽게 교환할 수 있어 다운 타임도 적다. 내장된 리턴 시스템도 옵숀으로 달 수 있다.
무튜브형 보일러
무튜브형 보일러는 소규모 플랜트에서 많은 인기를 끌고 있다. 작동과 관리가 간단하고, 블로우 다운을 너무 오래 할 실수의 여지가 거의 없고, 또 수리도 간단하다는 것이 그 인기의 비결이다.
무튜브 보일러는 수직형 구조로 버너가 아래, 중간 또는 위에 달려 있다. 이 보일러는 스팀이 물 위에 위치한 대형 재킷, 즉 U-튜브 안에 모이므로 튜브를 없앨 수 있었다.
가스는 연소실을 지나면서 재킷으로 열을 전달한다. 일련의 원형 강철 링을 스테인리스 스틸 배플(baffle) 주변에 설치함으로써 가스의 요동을 증가시킨 모델도 하나 있다. 수백 개에 달하는 U자 형 강철 링은 열 전도자 역할을 하며, 화로 벽 표면에 용접돼 있다. 원통형의 스테인리스 스틸 배플이 불길을 열 전도자를 통과하게 만들며, 불의 열이 열 전도자를 통해 물로 전달된다.
또 한 모델은 위에 있는 열 교환기에 핀(fin)을 부착한 삼중 패스 디자인을 사용하고 있다.
또 다른 모델은 파워 버너를 사용해 회전하는 불길을 화로 안으로 쏘아 넣는다. 불길의 뜨거운 가스는 이차 통로를 따라 올라가면서 압력 용기 표면에 용접된 핀들을 가열한다. 이는 이중 패스 보일러이다. 파워 버너는 보일러 위에 달려 있다. 물의 양은 세 개의 다른 높이에서 탐침 역할을 하는 세 개의 막대기에 의해 조절된다. 이 보일러는 약 80%의 열효율을 낸다.
연소실에서 나온 가스는 재킷을 감싸며 지나가고 이때 열을 재킷 안의 물로 전달하고 보일러 밖으로 나간다. 물과 만들어진 스팀은 주변의 열에 둘러싸인 채 재킷 안에 머물게 된다. 필자는 이런 형태의 무튜브 보일러를 15년 이상 갖고 있었다. 가장 큰 문제는 물 높이 컨트롤 장치 뒤에 있는 배플이 부식되면서 스팀이 빨려 나가는 것이다. 이 보일러는 철저하게 블로우 다운하고 물 처리를 해야 하며, 특히 물의 경도가 1 그레인을 넘는 지역에서는 신앙 생활하듯 신경을 써야 할 것이다.
