서론

시작 합니다

지금부터 스팀에 대한 이야기를 시작하려고 합니다. 스팀에 대한 이야기는 크게 4부분으로 나누어서 하려고 합니다. 스팀 시스템은 스팀의 발생, 스팀의 분배, 스팀의 사용 그리고 마지막 응축수 회수로 구분 할 수 있습니다. 하나의 가상 공장을 갖고 스팀 시스템의 이론적 배경과 스팀을 사용하는 설비의 설치 및 관리 방법에 대한 이야기를 하려고 합니다. 스팀 시스템에 관한 현장 실무 중 필요한 모든 정보를 이 이야기를 통해서 직접 경험 할 수 있도록 하여 유능한 현장 엔지니어를 만드는 것이 이 이야기의 목적입니다.

그림 1 스팀 시스템

스팀은 산업 혁명 초창기 이후 지금까지 산업 전반에 걸쳐 에너지를 전달하는 열매체로 사용되어 왔습니다. 열매체는 조작 온도에서 유체로 취급 할 수 있어야 하고, 열적으로 안정되고, 매체 단위 중량 당 열용량이 크고, 압력 범위도 적당하여 열전달 계수가 높고, 장치에 대한 부식성이 적으며 불연성이면서 저렴하고 무독성이어야 합니다. 오늘날 산업 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 열매체는 스팀으로, 스팀은 화력, 원자력 발전의 터빈을 움직이는 동력용으로 산업체에서 공정에 필요한 온도를 얻기 위한 승온용으로 그리고 기타 세척 및 가습용 등 다양한 분야에서 매우 유용하게 사용하고 있는 열매체입니다.

우리가 일반적으로 산업체에서 사용하는 승온용 스팀은 사용처에 정확한 열에너지를 전달하는 가장 이상적인 방법이며 별도의 순환 펌프를 사용 할 필요 없이 매우 효율적으로 열을 전달 할 수 있는 열매체입니다. 다만 스팀을 공정에 사용하고 응축하는 과정에서 압력을 잃어버리는 경우 외부 동력을 이용하여 응축수를 회수해야 됩니다.

 오늘날 스팀을 동력으로 사용하는 것은 발전을 위한 것이고 이때의 장점은 분배 및 제어가 쉽고, 전력 생산을 한 후 터빈을 빠져 나온 스팀을 가열 설비 및 공정 설비의 열원으로 다시 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

정리 합니다

스팀은 현재 가장 많이 사용되고 있는 열매체로 스팀 보일러에서 만들어져 스팀이 발생하고 배관을 통해 각각의 부하 설비에 스팀이 분배되며 사용됩니다.

스팀의 사용은 크게 제어와 부하 설비로 이루어지며, 제어는 유량, 압력, 온도 그리고 수위 제어로 분류됩니다. 부하 설비는 각각의 공정에 따라 달라질 수 있지만 대부분 열교환기를 통해 스팀이 사용됩니다.

이렇게 스팀을 사용하고 나면 응축수가 발생되는데 이 응축수가 갖고 있는 열량을 그대로 보전하면서 워터 햄머링 없이 회수하는 방법을 찾는 것이 응축수 회수 시스템입니다.

제1장 : 스팀의 발생

시작 합니다

스팀은 물을 갖고 만드는데 물은 지금까지 지구상에 가장 흔한 유체이며 풍부하고 값싸게 얻을 수 있으며, 화학적으로 안정적이고 무해합니다. 스팀은 물이 증발할 때 많은 량의 열을 흡수하여 단위 중량 당 많은 양의 에너지를 보유할 수 있으므로 스팀을 생산하고 분배함에 있어서 공장의 규모 및 비용을 최소화 할 수 있습니다. 또한 스팀은 압력이 일정한 상태에서 공정에 열을 전달 할 때는 높은 열전달 계수를 가지고 일정 온도에서 응축하는 장점이 있습니다. 이 일정한 응축 온도로 인하여 증기 공간의 열전달 표면 전체에서 온도 편차가 생기지 않고 공정이 안정적으로 이루어 질 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

이 장에서는 물이 스팀이 되는 이론적 설명과 스팀 보일러에서 보다 효율적인 스팀 발생 과정에 대한 설명을 하겠습니다.

1. 얼음에서 스팀으로

그림 1 온도 상승에 따른 물의 변화

1-1 얼음이 녹아 액체가 되는 현상

고체상에서, 격자구조 내에서의 분자운동은 분자들이 분자 하나의 직경보다 작게 떨어져 있는 평균 결합지점 근처에서의 진동운동이다. 열이 계속적으로 공급되면, 진동운동이 어느 한계까지 증가하여 일부 분자가 순간적으로 그들의 결합에서 떨어져 나와 액체 상태가 되기 시작한다. 대기압 상태에서 –20℃의 얼음 1kg이 0℃의 얼음이 되기 위해서는 열이 필요합니다.

이 열이 얼마나 필요한지를 알기 위해서는 얼음의 비열을 알아야 합니다. 얼음의 비열은 대략 0.5kcal/kg이므로 이 경우 10cal의 열량이 –20℃ 얼음에 주어지면 0℃의 얼음이 됩니다. 이 0℃의 얼음에 다시 열을 주면 얼음의 온도를 상승시키지 않고 고체 상태의 얼음을 0℃ 물인 액체 상태로 만 변하도록 하는 격자 결합을 깨뜨리는 열을 융해열(Enthalpy of melting)이라고 합니다. 이 경우 그림 1에서 보면 융해열은 79.6kcal 가 됩니다.

여기서 잠깐만

비열(Specific Heat)에 대하여

어떤 물질 1kg의 온도 1℃ 올리는데 필요한 열량을 비열이라고 한다. 물의 경우 비열이1kcal/kg℃ 이다. 그러나 사실 비열은 물질의 온도와 압력에 따라 차이가 난다. 물의 경우도 정확하게 물 1kg을 14.5℃에서 15.5℃의 1℃를 올리는데 필요한 열량이 1kcal이다. 즉 압력과 온도가 바뀌면 그 비열도 차이가 난다. 그래서 물을 100℃까지 올리는데 필요한 열량은 100kcal가 아니고 100.092kcal가 된다. 다만 그 차이가 아주 미미해서 물의 비열은 통상적으로 1kcal/kg℃로 하고 있다.

1-2 액체 온도의 상승

액체 상태에서 분자들의 움직임은 자유롭다. 그러나 아직도 상호인력으로 인해

한 분자직경보다 더 떨어져 있지 않고, 충돌이 자주 발생한다.

더 많은 열이 공급되면, 분자 교반과 충돌이 증가하여, 액체의 온도를 끓는 온도까지

상승시킨다. 물의 경우 끓는 온도는 대기압 상태에서 100℃이다.

1kg의 물을 끓는 온도 100℃까지 온도를 올리기 위해 들어간 열량을 우리는

현열(Sensible heat)라고 합니다. 물론 현열 량은 100kcal가 아니라 100.092kcal

입니다. 이렇게 현열만이 존재하는 물을 우리는 온수라고 부르고, 또 다른 열매체로

주로 난방용으로 많이 사용하고 있습니다.

끓는 온도 이하의 물은 보통 불포화(sub-saturated) 상태라고 한다.

1-3 비등, 증발 및 포화

온도가 상승하여 물이 비등조건에 도달하게 됨에 따라, 약간의 분자들이 액체로 되돌아가지 않고 탈출할 수 있도록 하는 충분한 운동에너지를 얻는다. 더 많은 열이 공급 되게 되면, 여기(excitation)가 좀 더 커지게 되고 액체를 떠나기에 충분한 에너지를 가진 분자들의 수가 증가한다.

액체 표면을 떠나는 분자의 수가 다시 들어오는 것보다 많아질 때, 물은 자유롭게 증발하고 이를 포화점 또는 끓는점에 도달했다고 한다. 압력이 일정하게 유지되면, 물은 가열이 되어도 온도는 더 이상 상승하지 않고일정한 상태에서 포화 스팀이 된다.

대기압 상태에서 액체 상태 인 물 1kg이 기체상태 인 스팀으로 상태가 바뀌기 위해서는 다량의 열이 필요하게 되는데 이 열량을 증발 잠열(Latent Heat of Vaporization) 이라고 하고, 그림 1에서 보면 대기압상태의 물 1kg에 539kcal의 열량이 주어지면 1kg의 포화 스팀(Saturated Steam)이 된다. 동일한 시스템 내에서 끓고 있는 물과 포화 스팀의 온도는 동일하지만, 단위 질량당 열에너지는 스팀이 더 크다. 얼음에서 물로 상(Phase)이 변하는 것과 같이 증발 과정 또한 가역적이다.

즉, 포화 스팀이 냉각되면 증발시키는데 사용되었던 양과 동일한 열(증발 잠열)을 버리고 액체로 되돌아간다. 이 과정을 응축(Condensation)이라 하고 스팀이 낮은 온도에 있는 어떤 표면과 접촉할 때 이 현상은 일어난다. 이런 현상이 일어나는 설비를 우리는 열교환기라고 부른다.

포화점에서 끓는 물 1 kg을 증발시키는데 필요한 에너지의 양(증발 잠열)은 물을 끓는점까지 상승시키는데 필요한 양(현열)보다 상당히 크다. 이런 이유로 스팀은 단위 중량 당 갖고 있는 열량이 매우 큰 열매체이다.

스팀을 이용한 열전달 계산에서, 증발 비 엔탈피 또는 증발 잠열이라고 하는 이 스팀 kg당 ‘유용한’ 열을 이용하는 방법과 사용되어지는 스팀의 양을 구하는 계산 방법에 대해서는 다음 시간부터 시작합니다.

정리 합니다

물은 세 가지 상태로 존재합니다. 고체 상태(얼음), 액체 상태(물) 그리고 기체 상태(스팀)로 존재합니다. 고체 상태에서 온도가 올라간다는 것은 열이 주어졌다는 의미이고 온도가 어느 정도 올라가는지를 아는 방법은 비열(Specific Heat)을 알아야 합니다. 0℃의 얼음이 0℃ 물이 되기 위해서는 융해열이 필요합니다. 융해열은 온도(0℃)는 변하지 않고 단지 고체 상태를 액체 상태로 바꾸어 주는데 필요한 열량입니다. 0℃ 액체 상태 인 물을 끓는 온도(100℃)까지 올려주는데 필요한 열량을 현열이라고 합니다. 이 액체 상태의 끓는 물을 기체 상태 인 스팀으로 만들어 주기 위해서 필요한 열량을 증발 잠열이라고 하며 다량의 열이 필요합니다. 끓는 물이 증발 잠열을 받아 스팀이 되면 우리는 포화 스팀(Saturated Steam)이라고 합니다.

한국에너지기술인협회 이대철 교수

dcl5756@naver.com

이대철 교수  dcl5756@naver.com

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