증기는 무엇일까?
증기는 물이 액상에서 기상으로 변해 만들어지는 기체입니다. 분자 단위에서, H2O분자 간 결합(수소결합)이 깨지는 순간 증기가 생성됩니다.
증기는 어떻게 생성될까?
액체 상태인 물에서, H2O 분자는 서로 결합되고 분리됩니다. 그러나 물 분자가 열을 받으면, 분자 간 연결된 결합은 빠르게 깨지기 시작하여 증기가 생성됩니다. 결국 충분한 열이 공급되면, 몇몇 분자는 결합이 깨져 자유롭게 됩니다. 이러한 '자유'상태의 분자는 우리가 증기로 익히 알고있는 투명한 기체가 됩니다. 정확히는 건증기라고 표현할 수 있습니다.
건증기 Vs. 습증기
증기를 사용하는 업계에서는 건증기(일명, 포화증기)와 습증기의 두가지 형태로 증기가 언급됩니다.
- 건증기는 모든 물 분자가 기체의 상태로 존재할 때를 의미하여, 그 상태는 투명한 기체로 존재 합니다.
- 습증기는 물 분자의 일부가 에너지(잠열)를 방출하여, 응축되어 작은 물방울을 형성한 상태를 의미합니다.
주전자에서 끓고있는 물을 예로 들어보겠습니다. 물은 처음에 가열원을 통하여 열을 흡수 합니다. 가열원 으로부터 점점 더 많은 열 에너지를 흡수하면, 물분자는 불안정해지며 끓기 시작합니다. 충분한 에너지가 흡수되면, 물의 일부는 증발하며 분자의 부피가 1600배 증가합니다.
주전자 주둥이 밖으로 김이 나오는 것을 가끔 보실 수 있을 겁니다. 이 김은 건증기가 차가운 대기로 방출될 때 주변 공기로 에너지가 전달되면서 잠열이 손실되는 한 예입니다. 분자간의 결합이 다시 형성될 정도로 에너지가 손실되면 공기 중에 떠다니는 작은 물방울이 보이게 됩니다. 이 액체 상태(작은 물방울)와 가스 상태(증기)의 혼합물을 습증기라고합니다.
증기의 다양한 유형과 종류에 대해 더 자세한 내용은 다음 글을 참조하시기 바랍니다.
동력원으로서의 증기
증기는 산업혁명 시대에 필수적인 역할을 하였습니다. 18세기 초, 증기엔진의 근대화는 증기 기관차와 증기선의 비약적인 발전을 만들어 냈고, 단조품 제조에 사용되는 증기 가열 및 스팀헤머는 말할 것도 없을 것입니다.
최근에는 동력원 중 증기가 내연기관과 전기로 교체되는 경우가 있지만, 그럼에도 불구하고 증기는 여전히 전력플랜트와 대형산업용 어플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다.
열원으로서의 증기
증기는 직접가열 또는 간접가열의 가열원으로 가장 널리 알려져 있습니다.
증기를 이용한 직접가열
증기의 직접가열방법은 증기가 직접 피가열물과 접촉하여 가열이 이루어집니다.
아래의 예는 찐빵이 증기로 쪄지고 있는 것을 나타내고 있습니다. 찜솥은 끓는 물의 냄비 위에 위치해있습니다. 물이 끓으면 증기가 찜솥 사이로 올라가면서 찐빵을 찌게 됩니다. 이 단계에서 보일러(냄비)와 직접 가열장치(찜솥)는 함께 결합되어 역할을 수행하게 됩니다.
음식을 찌는 원리는 증기가 제품과 직접 접촉하여 가열시키며 증기의 잠열은 직접적으로 음식에 전달됩니다. 물방울은 응축을 통해 가습을 하게 됩니다.
산업계에서 증기 직분사 방식은 요리, 살균, 증기 건조, 가황 및 기타 공정에서 사용됩니다.
간접 증기 가열
간접 증기 가열 방식은 증기가 제품에 직접 접촉하지 않고 가열되는 공정을 말합니다. 이 방식은 산업계에서 널리 사용되고 있으며, 그 이유는 빠르고 균일한 가열이 가능하기 때문입니다. 이 방식은 열교환기를 사용하여 제품을 가열하는 경우에 자주 사용됩니다.
이 방식이 직접 증기 가열보다 나은 이점은 가열할 때 생기는 물방울이 제품에 영향을 미치지 않는다는 것 입니다. 그러므로 증기는 용융, 건조, 가열 같은 어플리케이션에서 다양하게 활용될 수 있습니다.
간적 증기 가열은 식품 및 음료, 타이어, 제지, 판지, 가솔린 같은 연료, 의약품 등 광범위한 생산 공정에서 사용됩니다.
산업계에서의 증기 사용에 대한 더 많은 세부 사항은 다음 글을 참조하시기 바랍니다.
| 증기 이야기 목록 | 증기의 주요 어플리케이션 |