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증기의 기초

증기의 종류

물이 끓는 점을 넘어 가열되면, 물은 증기 또는 기체 상태의 물로 변화됩니다. 하지만 모든 증기가 같은 성질을 가지진 않습니다. 증기의 특성은 증기의 압력과 온도에 따라 크게 다릅니다.

기사에서 우리는증기를 사용하는 몇 가지 어플리케이션에 대해 논의했습니다. 다음 부분에서는 이러한 어플리케이션에 사용되는 증기의 종류에 대해 설명하겠습니다.

물과 증기의 압력-온도 관계

Pressure and temperature distribution of various types of steam

애니메이션을 보려면 단어를 클릭하십시오.

포화 증기(건증기)는 물이 끓는 점(현열 가열)으로 가열될 때와 추가적인 열(잠열 가열)로 기화될 때 나타납니다. 만약 증기가 끓는 점 이상으로 가열되면, 증기는 과열 증기가 됩니다.(현열 가열)

포화 증기(건증기)

위의 그래프에서 검은색 선으로 표시된 것처럼, 포화 증기는 증기(기체)와 물(액체)이 공존할 수 있는 온도와 압력에서 발생합니다. 즉, 기화 속도가 액화 속도와 동일할 때 발생합니다.

가열 시 포화 증기 사용의 장점

포화 증기는 특히 100°C(212°F) 이상의 열원으로 우수한 특성을 가지고 있습니다. 특성의 일부는 다음과 같습니다.

특성 장점
잠열을 이용한 빠르고 균일한 가열 제품 품질 및 생산성 향상
압력을 통한 온도 제어 빠르고 정확한 온도 설정
높은 열 전달 계수 필요한 열 전달 표면적이 작아 초기 장비 비용 감소
수자원의 재활용 안전하고 청결하며 낮은 비용

포화 증기로 가열할 때는 다음 사항에 유의할 필요가 있습니다:

  • 프로세스 가열에 건증기 이외의 증기를 사용할 경우 가열 효율이 저하될 수 있습니다. 일반적인 인식과는 달리, 사실상 보일러에서 발생하는 모든 증기는 포화 건증기가 아니라 일부 물을 포함하는 습증기입니다.
  • 증기의 일부가 방열 손실로 인해 응축되게 됩니다. 따라서 생성된 습증기는 훨씬 더 많이 습한 상태가 되고, 응축수 또한 많이 형성되는데, 적절한 위치에 스팀트랩을 설치하여 제거해야 합니다.
  • 증기 유송시 발생하는 응축수는 주관용 스팀트랩을 통해 제거할 수 있습니다. 그러나 습증기는 가열 효율을 감소시키므로 사용 현장 또는 분기배관에서도 제거해야 합니다.
  • 배관 마찰 등으로 인한 압력 손실이 발생한 증기는 증기 온도가 낮아지는 손실이 발생할 수 있습니다.

불포화 증기(습증기)

이것은 대부분의 플랜트에서 실제로 경험하는 가장 흔한 형태의 증기입니다. 보일러를 사용하여 증기가 생성될 때, 증기로 운반되는 증기는 보통 기화되지 않은 물 분자의 습기를 포함합니다. 아무리 좋은 보일러라도 3% ~ 5%의 습기를 함유한 증기를 배출합니다. 물이 포화 상태에 가까워지고 기화되기 시작할 때, 어떤 물은 보통 안개나 물방울의 형태로 상승하는 증기에 들어가 하류측으로 분배됩니다. 이것이 분리 장치가 분배된 증기로부터 응축수를 배출하는 데 사용되는 주요 이유 중 하나입니다.

과열 증기

과열 증기는 습증기 또는 포화 증기를 포화 온도 이상으로 더 가열함으로써 생성됩니다. 이것은 같은 압력에서 포화 증기보다 더 높은 온도와 낮은 밀도를 가진 증기가 생산됩니다. 과열 증기는 주로 터빈과 같은 추진/구동 용도에 사용되며, 일반적으로 열 전달 용도로는 사용되지 않습니다.

터빈을 구동하기 위한 과열 증기 사용의 이점
  • 응축수로 인해 성능이 저하되는 증기 구동 장치에 증기의 건조함을 유지하기 위해 사용합니다.
    열 효율과 작업 능력을 개선합니다. 예를 들어 과열 상태로 낮은 압력, 심지어 진공까지 비체적의 큰 변화를 만들 수 있습니다.

정상운전 중에는 증기 구동 장치 내에서 응축수가 발생하지 않아 침식이나 부식으로 인한 손상 위험을 최소화하므로 과열 상태에서 증기를 공급하고 배출하는 것이 유리합니다. 또한 터빈의 이론적 열효율이 터빈 입구 및 출구 엔탈피 값에서 계산되므로, 터빈 입구 쪽에서 압력이 증가하면 엔탈피가 상승하여 열효율을 개선하는 데 효과적입니다.

가열 시 과열 증기를 사용할 때의 단점은 다음과 같습니다.
특성 단점
낮은 열 전달 계수 생산성 감소
더 큰 열 전달 표면적의 필요
일정한 압력에서도 가변적인 증기 온도 과열된 증기는 고속을 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 시스템에서 열이 손실됨에 따라 온도가 저하됩니다.
열 전달 시 현열 사용 온도 저하로 인한 제품 품질에 부정적인 영향
높은 온도 강한 시공 자재가 필요하고, 높은 초기 장비 지출이 요구됨

이러한 이유 등으로 인해, 과열 증기보다 포화 증기가 열교환기 및 기타 열 전달 장비의 전열 매체로 선호됩니다. 반면에 직접 가열을 위한 열원으로 볼 때, 산소가 없는 상태에서 가열을 위한 열원으로 사용할 수 있다는 점에서 뜨거운 공기보다 유리합니다. 조리 및 건조와 같은 식품 가공 분야에서 과열 증기의 사용에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

초임계수

초임계수는 임계점을 초과하는 상태의 물입니다: 22.1MPa, 374°C(3208psia, 705°F). 임계점에서, 증기의 잠열은 0이며, 비체적은 액체 또는 기체라고 고려하더라도 정확히 같습니다. 다시 말해서, 임계점보다 높은 압력과 온도에 있는 물은 액체도 기체도 아닌 구별할 수 없는 상태입니다.

초임계수는 높은 효율을 요구하는 발전소의 터빈을 구동하는 데 사용됩니다. 초임계수에 대한 연구는 액체와 가스의 특성을 모두 갖는 유체, 특히 화학 반응을 위한 용매로서의 적합성에 중점을 두고 이뤄지고 있습니다.

물의 다양한 상태

불포화 수

Visual image of the liquid phase state

liquid state

이것은 가장 알아보기 쉬운 상태의 물입니다. 물의 액체 형태에서, 수소 결합은 물 분자를 서로 끌어당깁니다. 결과적으로, 불포화 수는 상대적으로 작고, 밀도가 높고, 안정적인 구조를 가지고 있습니다. 인체의 약 70% 또한 물로 이루어져 있습니다.

포화 증기

Saturated steam

Saturated steam

포화 증기 분자는 보이지 않습니다. 포화증기가 배관에서 배출되어 대기로 방출되면 그 일부가 주변 공기로 열을 전달함으로써 응축되고 하얀 증기 구름이 형성됩니다. 증기가 이 작은 물방울들을 포함할 때, 그것을 습식 증기라고 부릅니다.

증기 시스템에서 증기 트랩으로 배출되는 증기는 포화 증기(생증기)로 잘못 해석되는 경우가 많습니다. 이는 실제로는 재증발 증기입니다. 두 증기 사이의 차이점은 포화 증기는 파이프 출구에서 즉시 보이지 않는 반면 재증발 증기는 형성되는 순간 눈에 보이는 물방울을 포함한다는 것입니다.

과열 증기

superheated steam

superheated steam

과열 상태를 유지하는 한, 과열된 증기는 대기와 접촉하여 온도가 떨어져도 응축되지 않습니다. 결과적으로, 어떤 증기 구름도 형성되지 않습니다. 과열된 증기는 같은 압력에서 포화 증기를 저장하는 것보다 더 많은 열을 저장하고, 분자의 움직임이 더 빠르기 때문에 밀도가 더 낮습니다. (즉, 비체적은 더 크게 됩니다.)

초임계수

Visual image of supercritical water

supercritical water

시각적인 관찰로 알 수는 없지만, 이것은 액체도 기체도 아닌 형태입니다. 일반적인 개념은 분자의 운동은 기체와 가깝고, 밀도는 액체와 가까운 것 입니다.