증기의 상태에 따른 분류
증기의 상태는 어떤것이 있을까?
물은 가열을 하면 「기체상태의 물」인 수증기가 되지만, 압력과 온도에 따라 증기는 특성이 많이 다릅니다.
증기의 종류와 용도에서는 용도의 측면에서 증기를 분류했지만, 이번에는 증기의 상태에 따라 분류해서 설명하겠습니다.
포화증기
가장 친숙한「증기」입니다. 포화 상태라는 것은 액체 상태의 물과 기체 상태의 물이 공존하고 있는 상태로, 다른 표현으로 하면, 증발하는 속도와 응축하는 속도가 같은 상태 입니다. 보일러로 만드는 증기는 기본적으로 포화증기 입니다. 가열원으로서, 여러 측면에서 뛰어난 점이 있어 100℃～200℃의 가열원으로 널리 이용되고 있습니다.
포화증기는 아래의 이유로 열원으로써 널리 이용되고 있습니다.
- 잠열 가열에 따른 빠르고 균일한 가열이 가능
- 품질,생산성의 향상
- 압력과 온도관계를 정확하게 설정할 수 있음
- 온도제어에 따라서 압력제어가 가능
- 열전달율이 높음
- 전열면적을 작게할 수 있어 설비투자의 경감
- 원래는 물이기 때문에
- 안전, 저비용
다만, 방열에 의해서 증기가 응축한 물(응축수)이 발생하기 때문에. 증기 유송 배관에는 응축수 제거를 위한 스팀트랩을 설치할 필요성이 있는 점, 건도가 높은 상태로 사용하지 않으면 가열 효과가 떨어지는 점, 배관 저항 등의 압력손실로 압력이 떨어지면 온도도 낮아진다는 점등의 주의가 필요합니다.
과열증기
과열증기는 포화증기를 더욱 가열함에 따라, 어떤 압력에서 포화온도 이상의 증기온도를 가진 증기를 말합니다. 주로 동력 용도로 사용되며, 가열 용도로는 그다지 사용되지 않습니다.
과열증기가 가열원으로 그다지 사용되지 않는 이유는 아래와 같습니다.
- 과열된 부분은 현열이기 때문에 가열중 온도 변화가 생김
- 품질에 영향
- 압력이 일정하더라도 온도를 정확하게 정할 수 없음
- 압력제어가 가능하지 않음
- 열전달율이 낮아 전열효율이 나쁨
- 생산성・설비투자에 영향
이처럼 열교환기를 이용해 가열을 하는 경우, 가열원으로써 포화증기보다 뛰어난 점이 없습니다. 그 반면, 직접 가열용의 열원으로써의 「고온 가스체」의 측면으로는, 산소가 없는 조건에서 가열이 가능 하다는 점에서 에어로 가열을 하는 열풍보다 뛰어나기 때문에, 식품 등의 굽기나 건조 용도로의 연구가 진행되고 있습니다.
터빈의 동력원으로써 과열증기가 사용되는 중요한 이유는 아래에 있습니다.
- 증기원동기는 응축수에 약하기 때문에, 증기의 건도를 저하 시키지 않게 하기 위함
- 열효율의 향상
과열상태로 공급해 과열상태를 가진 상태로 배출시키면, 마모의 원인이 되는 응축수가 증기원동기 안에서 발생하지 않습니다. 또 터빈의 이론 열효율은 터빈의 입구와 출구에 따른 엔탈피의 수치로 계산하기 때문에, 압력뿐 아니라 과열도도 올려 터빈 입구측의 엔탈피를 증대시키는 것이 열효율의 상승에 유효합니다.
초임계수
초임계수는 임계점(22.06MPa・373.95℃)을 지난 상태의 물 입니다. 증기표를 가지신 분은 확인을 해보시면 임계점의 증발잠열이 0이 되어 있습니다. 그리고 액상부분의 비용적과 기체상태의 비용적 부분도 같습니다.
결국 이에 따라 고온, 고압의 물은 액체로도 기체로도 말할 수 없는 상태가 되었다고 할 수 있습니다. 발전소의 터빈 동력원의 효율을 높이기 위한 방법으로서의 연구뿐만 아니라 액체와 기체의 특성을 동시에 가진 유체로서 특히 화학반응시의 용매로써의 연구가 되고 있습니다.
각 증기의 분포
각 증기의 압력과 온도의 분포
각 증기의 이름을 클릭하면 증기의 상태를 보실수 있습니다.
각 증기의 상태
액상상태
물의 대표적인 상태입니다.인간의 체중의 70%정도는 수분이라고 합니다. 수소결합에 따라 상온・상압하에서 액체로 안정되어 있습니다.
포화증기
포화증기는 잠열을 잃으면 응축을 하기 때문에 배관에서 방출된 포화증기는 외기와 접촉해 일부가 응축해 하얀 김(조그만 물방울들)이 보입니다. 전해진 열에 의해 내부에너지가 커지고, 분자의 운동이 활발해 집니다. 활발해진 분자운동에 의해 수소결합이 끊어진 물은 기체가 되어 「증기」가 됩니다.
과열증기
과열증기는 외기에 접촉해 온도가 낮아져도, 과열상태를 유지하고 있으면 응축하지 않습니다. 그 때문에 김이 보이지 않습니다. 과열증기는 같은압력의 포화증기보다 열량을 많이 보유하고 있기 때문에 분자의 운동이 더욱 활발해 밀도가 작아(=비체적이 큼)집니다.
초임계수
초임계수의 시각적 이미지
눈으로 보는것은 불가능 하지만, 액체도 기체도 아닌 상태라도 물의 모습입니다. 이미지로는 분자의 운동은 기체인 증기에 가깝고, 밀도는 액체에 가까운 상태입니다.
