인젝터

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1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리
4. 현대적 응용
5. 다단 증기 진공 이젝터
6. 구성 재료
참조

1. 개요

인젝터는 고압 유체를 이용하여 작동하는 장치로, 1858년 프랑스인 앙리 지파르가 발명했다. 증기 기관차에 물을 공급하는 데 처음 사용되었으며, 3개 이상의 노즐로 구성되어 증기 압력 변화를 통해 작동한다. 인젝터는 펌프의 대안으로 널리 사용되었으며, 스트릭랜드 랜디스 니어스는 인젝터의 작동 원리에 대한 수학적 모델을 발표했다. 인젝터는 구동 유체를 사용하여 2차 유체를 움직이게 하며, 벤투리 효과를 통해 압력을 속도로 변환하여 유체를 끌어들인다. 현대에는 보일러, 발전소, 냉각 시스템, 석유 및 가스 산업 등 다양한 분야에서 사용되며, 다단 증기 진공 이젝터 형태로도 활용된다. 인젝터는 탄소강, 스테인리스강 등 다양한 재료로 제작된다.

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인젝터
개요
연료 분사 노즐의 예
유형	유체 기계
용도	액체 또는 기체 분사 압력 에너지 → 속도 에너지 변환
작동 원리
작동 원리	고압 유체를 사용하여 저압 유체를 끌어당기는 펌프
활용 분야
활용 분야	연료 분사 시스템 증기 제트 냉각 제트 환기 화학 플랜트 석유 정제 공장
관련 용어
관련 용어	분무기 노즐 제트 펌프 연료 분사 스팀 제트 이젝터 워터 제트 펌프

2. 역사

인젝터는 1850년대 초 앙리 지파르에 의해 처음 고안되었으며, 1858년 프랑스에서 특허를 받았다.^[16]^[15] 이는 주로 증기 기관차의 보일러에 물을 공급하는 데 사용되었다.^[16]

2. 1. 앙리 지파르의 발명

인젝터는 프랑스인 앙리 지파르가 1858년에 발명했다.^[15] 이는 증기 기관차에 물을 공급하기 위한 장치였으며,^[16]^[5] 발명 후 프랑스에서 특허를 받았다.^[5] 영국에서는 글래스고의 샤프, 스튜어트 앤 컴퍼니(Sharp, Stewart & Co.)가 특허를 취득했다.^[15]

처음에는 낯설고 표면적으로 역설적인 작동 방식 때문에 회의적인 시각도 있었으나,^[6] 점차 기계식 펌프의 대안으로 증기 기관차에 널리 채택되었다.

인젝터는 고압의 증기를 이용하여 작동한다. 증기가 노즐을 통과하면서 압력이 대기압 수준까지 낮아지고 속도가 빨라지는데, 이때 발생하는 힘으로 물을 끌어들인다. 유입된 물은 증기와 함께 "혼합 원추(cone)" 또는 "혼합 노즐"이라 불리는 부분에서 섞인다. 인젝터는 보통 3개 이상의 노즐, "원추" 또는 "관"으로 구성된다.

2. 2. 작동 원리에 대한 초기 회의론과 극복

(내용 없음 - 주어진 소스에는 '작동 원리에 대한 초기 회의론과 극복'에 해당하는 내용이 없습니다.)

2. 3. 스트릭랜드 랜디스 니어스의 공헌

스트릭랜드 랜디스 니어스는 철도와 관련된 많은 업적을 가진 토목 기사, 실험가이자 작가였다.^[7] 그는 증기 실험을 통해 검증한 인젝터 물리학에 대한 수학적 모델을 발표하는 등 인젝터 연구에 기여했다.^[6]

니어스가 연구한 증기 인젝터는 기본적으로 세 가지 주요 부분으로 구성된다:^[6]

증기 노즐: 고압 증기를 저압의 고속 습증기로 변환시키는 역할을 한다.
혼합 튜브: 빠르게 흐르는 증기와 차가운 물을 섞는 부분이다.
토출 튜브(전달 튜브): 고속으로 혼합된 증기와 물의 흐름을 다시 저속의 고압 물 흐름으로 바꾸어 보일러 등으로 보낸다.

인젝터 자체는 1858년 프랑스의 앙리 지파르가 발명하였고,^[15] 주로 증기 기관차에 물을 공급하는 데 사용되었다. 니어스는 이러한 인젝터의 작동 원리를 수학적으로 분석하고 설명하는 데 공헌한 것이다. 인젝터의 각 부분에 대한 자세한 설명과 작동 원리는 하위 섹션에서 다룬다.

2. 3. 1. 노즐

그림 15는 Kneass가 노즐을 통과하는 증기에 대해 그린 네 개의 스케치를 보여준다. 일반적으로, 압축성 유동은 가스가 팽창함에 따라 넓어지는 관(발산 덕트)을 통과하면서 속도가 증가한다. 그림 15의 아래쪽 두 스케치는 모두 넓어지는 형태지만, 맨 아래 스케치는 약간 곡선형이며 축과 평행하게 가장 빠르게 흐르는 흐름을 만들어냈다. 관의 단면적은 지름의 제곱에 비례하며, 곡률은 증기가 관을 통과하면서 더 선형적으로 팽창하도록 한다.

이상 기체는 단열 과정(열을 추가하지 않는 과정)에서 팽창하는 동안 온도가 내려가며, 등온 과정(온도가 일정한 과정)에서 팽창하는 동일한 기체보다 적은 에너지를 방출한다. 증기의 팽창은 랭킨 사이클이라고 하는 중간 열역학 과정을 따른다. 증기는 팽창하는 동안 뜨거운 상태를 유지하기 때문에 이상 기체보다 더 많은 일을 한다. 이 추가적인 열은 증기와 섞인 물방울로 일부 증기가 다시 응축되면서 발생하는 증발 엔탈피에서 나온다.^[6]

인젝터는 프랑스인 앙리 지파르가 1858년에 발명했고,^[15] 영국 글래스고의 Messrs Sharp Stewart & Co.에서 특허를 취득했다. 작동 원동력은 고압의 유체가 전환되면서 발생한다.

인젝터는 원래 증기 기관차에 물을 공급하기 위해 사용되었다. 인젝터는 3개 이상의 노즐, 즉 "원추" 또는 "관"으로 구성된다. 증기가 노즐을 통과할 때 압력이 대기압까지 떨어지면서 증기의 속도가 크게 증가하는 것이 작동의 핵심 원리이다. 빠르게 흐르는 증기 분출은 새로운 물을 끌어들이고, 증기와 물은 "혼합 원추"(또는 혼합 노즐)에서 섞인다.

2. 3. 2. 혼합 튜브

인젝터는 프랑스인 앙리 지파르에 의해 1858년에 발명되었고^[15] 영국의 글래스고에 있는 Messrs Sharp Stewart & Co.에 의해 특허가 취득되었다. 원동력은 고압 유체에 의해 전환된다.

인젝터는 원래 증기 기관차에 물을 공급할 목적으로 사용되었다. 인젝터는 3개 이상의 노즐, "원추" 또는 "관"이 내장되어 구성되어 있다. 증기가 노즐을 통과할 때 압력이 대기압까지 내려가 증기의 속도가 증가하는 것이 원동력이 된다. 노즐 끝부분에서 매우 높은 속도를 갖게 된 증기는 대기압보다 낮은 압력에서 차가운 물을 끌어들여 흐름에 동반시킨다. 증기와 물은 "혼합 원추"(혼합 노즐이라고도 함)에서 섞이며, 여기서 증기는 수렴 덕트 내에서 물방울로 응축된다.

2. 3. 3. 전달 튜브

분사관 또는 전달 튜브(delivery tube)는 혼합된 물이 최종적으로 보일러로 전달되는 통로이다. 이 부분은 일반적으로 단면적이 점차 넓어지는 발산 덕트(diverging duct)의 형태를 가진다.^[15] 증기와 물이 "혼합 원추"(mixing cone)에서 합쳐진 후, 이 발산 덕트를 통과하면서 유체의 속도는 줄어들고 압력은 증가하게 된다. 이 압력 증가 덕분에 물은 보일러 내부의 높은 압력을 극복하고 내부로 공급될 수 있다. 첫 번째 그림의 'H' 부분이 반송실과 관(delivery chamber and pipe)에 해당하며 이 기능을 수행한다.

3. 작동 원리

인젝터는 구동 유체(예: 증기)의 압력 에너지를 이용하여 다른 유체(예: 물)를 흡입하고 더 높은 압력으로 밀어내는 장치이다. 증기 인젝터는 특히 증기 기관차의 보일러에 물을 공급하는 데 널리 사용되었으며, 기계적인 펌프를 대신하여 자체 증기를 동력원으로 사용한다. 처음 개발되었을 때는 그 작동 원리가 마치 영구 기관처럼 보여 흥미를 끌었으나, 이후 열역학 원리로 설명되었다.^[4] 증기 외에 공기와 같은 다른 가압 유체를 구동 유체로 사용할 수도 있다.

인젝터의 작동은 주로 벤투리 효과에 기반한다. 고압의 구동 유체(증기)가 좁은 노즐을 통과하면서 속도가 급격히 증가하고 압력은 크게 낮아진다. 이 압력 강하로 인해 주변의 2차 유체(물)가 인젝터 내부로 빨려 들어오게 된다.

흡입된 물은 빠르게 흐르는 증기와 '결합 콘'이라는 수렴하는 관로에서 혼합된다. 이 과정에서 뜨거운 증기는 차가운 물과 만나 응축되면서 자신의 잠열을 물에 전달하고, 이는 물의 속도를 더욱 증가시킨다. 이렇게 속도가 빨라진 물-증기 혼합물은 다시 '공급 콘'이라는 발산하는 관로를 통과하면서 속도가 점차 감소한다. 이때 운동 에너지가 다시 정적 압력 에너지로 변환되어, 혼합물의 압력이 초기 보일러의 압력보다 높아지게 된다. 이 압력 차이 덕분에 물은 역지 밸브를 통해 보일러 내부로 공급될 수 있다.^[8]^[9]

이 과정에서 증기가 응축되며 방출한 열에너지의 상당 부분이 급수와 함께 보일러로 되돌아가므로, 인젝터는 일반적으로 98% 이상의 높은 열효율을 보인다. 또한, 복잡한 움직이는 부품이 많은 펌프에 비해 구조가 단순하여 고장이 적다는 장점이 있다.

3. 1. 핵심 설계 변수

인젝터의 주요 설계 변수로는 유체 공급 속도와 작동 압력 범위가 있다. 이와 함께 인젝터의 성능을 나타내는 지표로 압축비와 동반비를 정의할 수 있다.

압축비 ( $P_2/P_1$ ): 인젝터의 출구 압력( $P_2$ )을 흡입되는 유체의 유입 압력( $P_1$ )으로 나눈 비율이다. 이는 인젝터가 유체의 압력을 얼마나 높일 수 있는지를 나타낸다.
동반비 ( $W_s/W_m$ ): 일정한 양의 구동 유체( $W_m$ , 단위: kg/h)가 끌어들여 압축할 수 있는 흡입 유체의 양( $W_s$ , 단위: kg/h)을 의미한다. 이는 인젝터의 효율성과 관련이 있다.

인젝터는 관 내부에 증기를 분사하여 작동한다. 분사된 증기는 분무기처럼 관 내부의 압력을 낮춰 물을 빨아들인다. 흡입된 물은 분출하는 증기의 힘으로 가속되어 보일러에 연결된 역지 밸브 쪽으로 강하게 밀려나간다. 이 과정에서 뜨거운 증기는 차가운 물과 섞이면서 응축되어, 온도가 다소 높은 액체 상태의 물이 된다. 이렇게 큰 운동 에너지를 가진 액체 물이 역지 밸브 등에 부딪혀 급격히 멈추면, 그 충격량으로 인해 보일러 내부의 높은 압력을 이겨내고 물을 보일러 안으로 밀어 넣을 수 있게 된다. 이러한 원리로 작동하도록 조절 밸브, 흡입관, 역지 밸브 등을 포함하여 구성된 장치가 인젝터이다.

인젝터는 일반적인 급수 펌프와 비교했을 때 몇 가지 장점을 가진다. 크기가 작고 구조가 단순하여 고장이 적으며, 증기와 직접 혼합되므로 급수 온도가 상승하여 별도의 급수 가열기가 필요 없다. 또한, 펌프처럼 별도의 구동 동력이 필요하지 않다는 점도 장점이다.

3. 2. 리프팅 특성

인젝터의 주요 특성 중 하나는 유체가 인젝터로 들어오는 압력 조건, 즉 리프팅(lifting) 인지 비(非)리프팅(non-lifting) 인지 여부이다.

비리프팅 인젝터는 작동을 위해 유입되는 유체의 압력이 양의 압력이어야 한다. 예를 들어, 중력을 이용하여 냉수를 공급하는 방식이 이에 해당한다. 비리프팅 인젝터에서는 증기가 나오는 구멍(증기 원뿔 최소 오리피스)의 직경이 물과 증기가 합쳐지는 부분(결합 원뿔)의 최소 직경보다 크게 설계된다.^[10] 예를 들어, 서던 퍼시픽 4294 증기 기관차에 사용된 비리프팅 방식의 네이선 4000 인젝터는 250psi (약 17 bar) 압력에서 시간당 12000USgal (약 45000L)의 물을 보일러로 밀어 넣을 수 있었다.^[11]

반면, 리프팅 인젝터는 유입 유체의 압력이 음압, 즉 인젝터보다 낮은 곳에 있는 유체를 끌어올려 작동할 수 있다. 이는 주로 노즐의 상대적인 크기 설계에서 비리프팅 인젝터와 차이가 있다.^[12] 리프팅 인젝터는 관 내부로 증기를 분사하여 분무기와 같은 원리로 저압 상태를 만든다. 이 저압으로 인해 물이 인젝터 내부로 흡입된다. 흡입된 물은 분출하는 증기에 의해 속도가 빨라지고, 보일러에 연결된 역지 밸브가 있는 관으로 강하게 보내진다. 이 과정에서 뜨거운 증기는 차가운 물과 섞이면서 응축되어, 다소 온도가 높은 액체 상태의 물이 된다. 큰 운동 에너지를 가진 액체가 급정지하면서 발생하는 큰 충격량으로 보일러 내부의 높은 압력을 이겨내고 물을 공급할 수 있게 된다. 이러한 현상을 가능하게 하는 조절 밸브, 흡입관, 역지 밸브 등을 포함한 전체 장치를 인젝터라고 부른다.

인젝터는 급수를 위한 펌프와 비교했을 때 몇 가지 장점이 있다. 크기가 작고 고장이 적으며, 증기와 물이 섞이는 과정에서 급수 온도가 자연스럽게 올라가므로 별도의 급수 가열기가 필요하지 않다. 또한, 펌프를 작동시키기 위한 별도의 동력원도 필요하지 않다.

3. 3. 오버플로우

과도한 증기나 물을 배출하기 위해 오버플로우가 필요하며, 특히 시동 시에 중요하다. 인젝터가 초기에 보일러 압력을 극복하지 못할 때, 오버플로우는 인젝터가 물과 증기를 계속해서 흡입할 수 있게 돕는 역할을 한다.

3. 4. 체크 밸브

인젝터의 출구와 보일러 사이에는 물이나 증기가 역류하는 것을 막기 위해 최소 1개 이상의 체크 밸브가 설치된다. 특히 기관차에서는 이 밸브가 작동할 때 나는 독특한 소리 때문에 "클랙 밸브"라고 불리기도 한다.^[9] 또한, 오버플로우에서 공기가 빨려 들어가는 것을 방지하는 밸브도 일반적으로 함께 설치된다.

인젝터는 증기를 관내에 분사하여 분무기와 같은 원리로 저압 상태를 만들어 물을 빨아들인다. 이 물은 분출하는 증기에 의해 속도가 빨라져 보일러에 연결된 역지 밸브(체크 밸브의 일종)가 있는 관에 부딪히게 된다. 이 과정에서 뜨거운 증기는 상대적으로 차가운 물과 섞이면서 응축되어 온도가 높은 액체 상태의 물이 된다. 높은 운동 에너지를 가진 이 액체가 갑자기 멈추면 큰 충격량이 발생하여 보일러 내부의 압력보다 더 높은 압력을 만들어내고, 이를 통해 물이 보일러 안으로 들어갈 수 있게 된다. 체크 밸브는 이 과정에서 물이 보일러에서 인젝터 쪽으로 역류하는 것을 막는 중요한 역할을 한다.

인젝터는 급수 펌프와 비교했을 때 크기가 작고 고장이 적다는 장점이 있다. 또한 증기와 물이 섞이면서 급수 온도가 자연스럽게 올라가기 때문에 별도의 급수 가열기가 필요하지 않으며, 펌프를 돌리기 위한 동력도 필요 없다.

4. 현대적 응용

인젝터(또는 이젝터)는 구조가 비교적 간단하고 다양한 환경에 적용하기 쉬워 여러 산업 분야에서 널리 사용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

소규모 고정식 저압 보일러의 보일러 드럼에 화학 물질을 주입하는 데 사용된다. 다만, 대형 고압 현대식 보일러에서는 인젝터의 배출 압력 한계 때문에 화학 물질 투입 용도로는 사용하기 어렵다.
화력 발전소에서는 보일러 바닥재 제거, 보일러 배기가스에서 재를 제거하는 전기 집진기 호퍼의 비산재 제거, 증기 터빈 배기 표면 응축기의 진공 압력 생성 등에 활용된다.
제트 펌프 형태의 인젝터는 비등수형 원자로에서 냉각수를 순환시키는 데 사용된다.^[14]
증기 분사 냉각 시스템에서 진공 압력을 만드는 데 사용된다.
공기 조절 및 냉동 시스템에서 팽창 과정의 에너지를 회수하는 데 사용된다.
석유 및 가스 산업에서는 원유 회수 증진(EOR) 공정에 활용된다.
곡물이나 기타 입자, 분말 형태 재료의 대량 이송 및 처리에 사용된다.
건설 현장에서는 탁수나 슬러리(진흙과 물의 혼합물)를 퍼내는 데 사용된다.
선박에서는 원심 펌프가 흡입 수두 손실로 제거할 수 없는 잔류 평형수나 화물유를 퍼내는 데 사용된다. 특히 선박의 트림(선수와 선미의 흘수 차이)이나 경사로 인해 펌프가 건조 상태로 작동될 위험이 있을 때, 손상 가능성이 있는 원심 펌프 대신 사용될 수 있다. 또한, 흡입 수두가 자주 손실될 수 있는 선박의 빌지(선저 폐수)를 펌핑하는 데 사용된다.
일부 항공기(주로 초기 모델)에서는 동체에 부착된 이젝터를 사용하여 자세 지시계(인공 수평선)와 같은 자이로스코프 계기에 필요한 진공을 공급한다.
항공기 연료 시스템에서는 이송 펌프로 사용되기도 한다. 엔진에 장착된 기계식 펌프에서 나오는 유체 흐름을 연료 탱크에 설치된 이젝터로 보내 해당 탱크의 연료를 다른 곳으로 이송할 수 있다.
흡인기(펌프)는 인젝터(이젝터)와 동일한 작동 원리를 이용하는 진공 펌프로, 실험실에서 부분적인 진공 상태를 만들거나 의료 분야에서 흡인을 통해 점액이나 체액을 제거하는 데 사용된다.
수력 이젝터는 마모성이 강한 혼합물을 잘 처리할 수 있어 진흙 준설이나 금 채취에 사용된다.
정유 공장의 진공 증류 장치에서 진공 시스템을 만드는 데 사용된다.
진공 오토클레이브(고압 증기 멸균기)는 일반적으로 기계에 공급되는 냉각수를 이용하여 이젝터를 구동시켜 내부 진공을 만든다.
저중량 제트 펌프는 종이 반죽으로 만들 수 있다.

5. 다단 증기 진공 이젝터

흡입 압력이 100 밀리바 절대압 이하로 매우 낮은 경우에는 일반적으로 여러 개의 인젝터를 직렬로 연결하여 사용한다. 각 인젝터 단계 사이에는 응축기를 설치하여 구동 증기를 응축시키는데, 이는 전체 인젝터 세트의 효율을 크게 향상시키는 역할을 한다. 응축기로는 기압식 응축기나 쉘 앤 튜브 방식의 표면 응축기가 사용될 수 있다.

다단 시스템의 작동 방식은 단계 수에 따라 다음과 같이 나뉜다.

'''2단 시스템:''' 1차 고진공(HV) 인젝터와 2차 저진공(LV) 인젝터로 구성된다.

# 처음에는 저진공(LV) 인젝터가 작동하여 시스템 내부를 시동 압력에서 중간 수준의 압력까지 낮추기 위해 작동된다.

# 중간 압력에 도달하면, 고진공(HV) 인젝터가 저진공(LV) 인젝터와 함께 작동하여 최종적으로 목표하는 압력까지 낮춘다.

'''3단 시스템:''' 1차 부스터, 2차 고진공(HV) 인젝터, 3차 저진공(LV) 인젝터로 구성된다.

# 2단 시스템과 유사하게, 저진공(LV) 인젝터가 먼저 작동하여 시동 압력에서 첫 번째 중간 압력까지 낮추기 위해 작동된다.

# 이 압력에 도달하면 고진공(HV) 인젝터가 저진공(LV) 인젝터와 함께 작동하여 더 낮은 두 번째 중간 압력까지 낮춘다.

# 마지막으로, 부스터가 고진공(HV) 및 저진공(LV) 인젝터와 함께 작동하여 최종 목표 압력까지 낮춘다.

6. 구성 재료

인젝터는 탄소강, 스테인리스강, 황동, 티타늄, PTFE, 탄소 등 다양한 재료로 만들어진다.

참조

_[1] 서적 Perry's Chemical Engineers' Handbook McGraw Hill
_[2] 서적 Steam Jet Ejectors For The Process Industries McGraw-Hill
_[3] 간행물 Analysis of the adiabatic process by using the thermodynamic property diagram of water vapor 2021
_[4] 서적 How Steam Locomotives Really Work Oxford University Press 2000
_[5] 서적 Practice and Theory of the Injector https://archive.org/[...] John Wiley & Sons (Reprinted by Kessinger Publications, 2007 )
_[6] 서적 Practice and Theory of the Injector John Wiley & Sons (Reprinted by Wentworth Press, 2019)
_[7] 간행물 Obituary Notice of Strickland Kneass https://www.jstor.or[...] 1884-04
_[8] 문서 “THE STEAM INJECTOR.” BY MR.F.T.BARWELL, G.W.R. MECHANICS’ INSTITUTE. SWINDON ENGINEERING SOCIETY. TRANSACTIONS, 1929-30. ORDINARY MEETING. — JANUARY 21ST, 1930
_[9] 서적 How Steam Locomotives Really Work Oxford University Press 2000
_[10] 서적 Injectors: their Theory, Construction and Working The Technical Publishing Company Limited 1900
_[11] 서적 Cab-Forward Notes Southern Pacific Railroad's Signature Locomotive Gerald Rood 2013-07-17
_[12] 문서 The Model Injector, Ted Crawford, Tee Publishing
_[13] 웹사이트 Clan Line : Injectors https://www.clan-lin[...]
_[14] 웹사이트 Steam-assisted jet pump http://www.freepaten[...] General Electric 2011-03-17
_[15] 서적 Practice and Theory of the Injector John Wiley & Sons (Reprinted by Kessinger Publications, 2007 )
_[16] 서적 Practice and Theory of the Injector https://archive.org/[...] John Wiley & Sons (Reprinted by Kessinger Publications, 2007 )

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