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제1장 : 스팀의 발생2. 스팀의 용어

2. 스팀의 용어

 

현열 ( hf ) : 엔탈피

이것은 액체상태의 물을 끓는 온도까지 상승시키는 데 필요한 열이다. 물에 공급된 열은 온도 변화를 수반하기 때문에 현열이라고 불린다. 그러나, 요즘은 액체 엔탈피 또는 물의 엔탈피라 불린다. 여기에서는 ‘현열’이라고 부르기로 한다. 1 kg의 물을 0 ℃에서 끓는 온도까지 상승시키는데 필요한 열량은 포화 증기표에 나와 있다.

 

잠열 ( hfg ) : 증발 엔탈피

이것은 물의 끓는 온도에서 온도변화 없이 물을 증기로 상 변화시키기 위해 필요한 열량이다. 열이 공급될 때, 증기와 물의 혼합물 온도는 변화가 없고 모든 에너지는 액체(물)에서 기체(증기)로 상(Pahse)을 변화 시키는데 만 사용된다. 잠열이라는 오래된 용어의 의미는 열이 추가되지만 어떠한 온도 변화도 없다는 사실에 기인한다. 요즘 사용되는 용어는 증발 엔탈피이지만 아직도 일반적으로 잠열(latent heat)이라는 말이 사용된다. 끓는 온도에서 물 1 kg을 증발시키는데 필요한 열량 즉 증발 잠열은 포화 증기표에 나와 있다.예를 들면, 대기압(0 bar g)에서, 100 ℃의 물 1 kg을 100 ℃의 증기로 증발시키는데 필요한 에너지는 2,257 kJ(= 539kcal)이다.

 

전열( hg )

이것은 스팀의 전체 에너지이고 이것은 간단히 현열과 잠열의 합이다. 이에 관한 자세한 내용은 포화 증기표에 나와 있다. 예를 들면, 대기압(0 bar g)에서, 물은 100 ℃에서 끓고, 1 kg의 물을 0 ℃에서 끓는 온도 100 ℃까지 가열하는데 419 kJ(= 100 kcal)의 에너지가 필요하다. 여기에 추가로 2,257 kJ(= 539 kcal)의 에너지가 100 ℃의 물 1 kg을 100 ℃의 증기로 증발시키는데 필요하다. 그러므로, 전열은 419 kJ(=100 kcal) + 2,257kJ(= 539 kcal) = 2,676 kJ(= 639 kcal)이다.

표 1. 포화 증기표

 

정리 합니다

포화 스팀(Saturated Steam)의 용어에서 현열은 물을 물의 비등점(끓는점)까지 온도를 올리기 위하여 들어가는 열량을 말하며, 잠열은 이 끓는 물을 상의 변화를 일으켜 스팀으로 만들기 위한 열량이며, 이때 온도의 변화가 없이 들어가는 열량을 증발 잠열이라고 하며 이 두열, 현열과 잠열의 합을 스팀의 전열이라고 합니다.

 

3.스팀의 성질

3.1대기압 이상에서의 스팀

스팀이 공정에 열을 전달할 때, 먼저 동일한 온도에서 잠열을 전달하고 스팀은 응축 하여 물이 된다. 증발 잠열은 증기가 열전달을 위해 사용되는 열이다. 대기압 상태의 스팀은 사용에 제약이 있다. 대기압의 스팀은 자신의 압력으로는 사용 지점까지 증기 배관을 따라 수송 될 수 없기 때문이다. 그러므로 실질적인 증기의 응용에서, 증기는 보일러(증기발생장치)에서 사용 목적에 맞는 압력보다 높은 압력으로 생산되어야 한다. 물이 대기압 이상의 압력으로 유지되면, 100 ℃ 이상으로 상승되어야 물이 끓을 수 있다.

 

예로 7 barg에서, 물의 끓는점은 170 ℃이다. 이는 물이 대기압 상태에 있을 때

필요한 열량보다, 7 bar g에서 물의 온도를 끓는점까지 상승시키기 위해서는 더 많은 열량이 공급되어야 한다는 것을 의미한다. 포화 증기표에서 보면, 1 kg의 물을 0 ℃에서 끓는 온도인 170 ℃까지 상승시키는데 필요한 열량은 721 kJ(= 172 kcal)이다. 그러나, 1 kg의 물을 완전히 스팀으로 상 변화시키기 위해 7 bar g에서 필요한 증발 잠열(2,048 kJ/h = 489 kcal/h)은 대기압에서 물의 잠열(2,257 kJ/h = 539 kcal/h)보다 작다. 포화 증기표를 보면, 스팀의 압력이 증가함에 따라 잠열은 작아짐을 알 수 있다. 그림 2에서 압력이 증가함에 따라 잠열이 감소하는 것을 알 수 있다. 우선 고압의 스팀을 사용하면 좋지 않다는 것처럼 보인다. 나머지 상세한 사항은 다음의 스팀 압력과 엔탈피 관계의 설명을 참고한다.

 

3.2 스팀의 압력과 온도 관계

포화 증기표를 보고 압력에 따른 스팀 온도를 점으로 찍어보면, 그림 3과 같은 곡선이 얻어지면, 이 곡선을 포화 증기 곡선이라 한다. 물과 스팀은 이 곡선 상의 어떤 온도에서도 공존 할 수 있는데 포화 온도 곡선 상에서 증발 온도와 상응되는 압력을 읽을 수 있다. 끓거나 응축하는 조건에 있는 물과 스팀은 열에너지에 의해 포화되어 있기 때문에 각각 포화수 및 포화 증기라 불린다. 포화 증기 내에 포화수가 존재하지 않는다면, 건 포화 증기라고 한다. 포화 증기 곡선보다 위에 있는 스팀을 과열 증기라고 하고, 포화 온도 이상의 온도는 스팀의 과열도라 불린다. (0 bar g, 120 ℃에서 과열도는 20 ℃)

 

3.3 스팀의 압력과 부피 관계

 밀도는물질의단위부피(V)당질량(m)이다. 비용적(v)은 밀도의 역수로서 단위 질량 당 부피이다. 밀도의 단위는 kg/㎥이고 비용적의 단위는 ㎥/kg이다. 그러므로 액체 와 스팀의 분자 구조를 비교해보면, 스팀의 분자들이 더 멀리 떨어져 있기 때문에 스팀 의 밀도가 물의 밀도에 비해 작다는 것을 알 수 있다. 일반적인 대기 조건에서, 물과 스팀의 밀도는 각기 1,000 kg/㎥ 과 0.6 kg/㎥로 약 1,700배의 차가 있다. 스팀 의 압력이 상승함에 따라, 스팀의 밀도 또한 증가하지만 비용적은 감소한다. 포화 증기 표를 참조하여 스팀 압력에 대한 비용적의 점을 찍어보면, 아래의 그래프를 얻을 수 있 다. 이 그래프를 통해, 압력이 상승함에 따라 얼마나 부피가 줄어드는지, 증기의 압력이 높을수록 얼마나 밀도가 상승하는지를 알 수 있다. 6 bar g 이하의 압력에서 비용적은 급격하게 증가한다.

 

3.4스팀 압력과 엔탈피 관계

표2의 포화 증기표를 보면, 증기의 압력이 상승함에 따라, 증발 잠열(kJ/kg 또는 kca/kg)은 감소한다. 예를 들면, 2 bar g의 증기 1 kg은 2,133 kJ(= 510 kcal)의 증 발 잠열을 갖지만, 14 bar g의 증기 1 kg은 1,947 kJ(= 465 kcal)의 증발 잠열을 가 져 약 14%의 열량이 부족하게 된다. 이는 높은 압력의 증기일수록 단위 질량당 열을 전달할 수 있는 잠열이 작다는 것을 의미한다. 그러나 압력이 상승함에 따라 증기밀도 가 더 높아지고 더 많은 질량유량이 흐를 수 있도록 하여 배관을 통하여 더 많은 열량 이 흐를 수 있기 때문에, 배관을 통해 열을 수송할 때 높은 압력의 증기가 더 유리하다.

예를 들어 증기 1 ㎥의 경우 2 bar g에서 1.658 kg의 잠열은 3,587 kJ(= 857 kcal)이고 14 bar g에서 7.576 kg의 잠열은 14,750 kJ(= 3,525 kcal)이다. 이 예에서, 동일 부피의 증기는 고압에서 4.57배 만큼 더 무겁고, 4.1배 만큼 잠열을 더 갖고 있다는 것을 나타낸다. 이 현상은 서로 다른 압력에서 열을 수송하는데 무슨 효과가 있을까?

 

3.5 스팀의 건도와 전열

어떤 압력에 상응하는 끓는점에서 생성된 증기는 포화증기로 알려져 있다. 산업용 보일러에서 100% 건포화증기를 생산하는 것은 거의 불가능하여 증기는 보통 물방울이 포 함 되어 있다. 증기 중의 물 함량이 무게로 10%라면, 증기는 90% 건조 또는 0.9의 건 도를 가지고 있다고 말한다. 그러므로 증기의 실질적인 잠열은 포화 증기표에 나오는 hfg가 아니라, 건도 χ와 hfg둘에 연관되어 있다.

예를 들어 지금 건도 90%의 7.0barg 의 스팀이 있다면 실제 전열은2,769kJ/kg(=661kcal/kg)가 아니라 7.0barg 스팀의 잠열 중 90% 만 있기 때문에 실제 전열은 현열 더하기 잠열에 0.9를 곱한 값이 된다. 즉 실제 전열은 721kJ/kg(=170kcal/kg) + [2,048kJ/kg(=489kcal/kg) x 0.9] = 2,564,2kJ/kg (=610kcal/kg)이 된다. 건도 100% 일 때의 전열 2,769kJ/kg(=661kcal/kg) 보다 204.8kJ/kg(=51kcal/kg) 적어진다. 스팀의 건도가 떨어지면 그만큼 열량이 적어지므로 스팀 사용 시 스팀 사용량이 부족한 열량만큼 더 필요하게 되고 이것은 스팀 사용처에서 응축수 부하가 증가 되는 요인이 된다.

 

 

정리 합니다

포화 스팀(Saturated Steam)은 압력이 증가하면 비등점(스팀의 온도)은 점점 올라가고 증발 잠열은 점점 감소합니다. 결국 스팀이 임계 압력(225.56kg/㎠)까지 도달하면 잠열은 거의 없고 현열(503.34kcal/kg) 만 존재하게 된다. 실제 우리가 부하 설비에서 사용하는 스팀의 에너지는 스팀의 잠열인데 스팀의 잠열은 압력이 증가되면 점점 감소되므로 부하 설비에서 스팀 사용은 압력이 낮을수록 잠열 량이 많아지므로 스팀 사용량이 줄어든다. 그러나 스팀 수송 할 때는 경우가 다른데 스팀의 부피는 압력이 증가 할수록 작아지므로 같은 량의 스팀을 수송 할 경우 압력이 높으면 그만큼 체적이 작아지므로 배관 사이즈도 작아 질 수 있다. 결론은 스팀은 높은 압력으로 수송하고 낮은 압력으로 사용하는 것이 보다 경제적이다.

 

 

한국에너지기술인협회 이대철 교수

dcl5756@naver.com

 

 

이대철  dcl5756@naver.com

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