증기의 기초
증기의 종류
물이 끓는 점을 넘어 가열되면, 물은 증기 또는 기체 상태의 물로 변화됩니다. 하지만 모든 증기가 같은 성질을 가지는 것은 아닙니다. 증기의 특성은 증기의 압력과 온도에 따라 크게 달라집니다.
앞선 기사에서는 증기를 사용하는 몇 가지 애플리케이션에 대해 살펴보았습니다. 이어지는 부분에서는 이러한 활용에 적합한 증기의 종류와 특성을 설명하겠습니다.
물과 증기의 압력-온도 관계
포화 증기(건증기)는 물이 끓는점(현열 가열)으로 가열될 때와 추가적인 열(잠열 가열)로 기화될 때 나타납니다. 만약 증기가 끓는점 이상으로 가열되면, 증기는 과열 증기가 됩니다.(현열 가열)
포화 증기(건증기)
그래프의 검은색 선이 보여주듯, 포화 증기는 물과 증기가 동시에 존재할 수 있는 특정 온도와 압력에서 형성됩니다. 이는 증기의 기화 속도와 액화 속도가 균형을 이루는 상태를 의미합니다.
가열 시 포화 증기 사용의 장점
포화 증기는 특히 100°C(212°F) 이상의 열원에서 우수한 특성을 가지고 있습니다. 주요 특성은 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 |
팁
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 포함한 습증기입니다.
- 증기의 일부가 방열 손실로 인해 응축됩니다. 따라서 생성된 습증기는 훨씬 더 습한 상태가 되고, 응축수도 많이 형성되므로 적절한 위치에 스팀트랩을 설치하여 제거해야 합니다.
- 증기 유송시 발생하는 응축수는 주관용 스팀트랩을 통해 제거할 수 있습니다. 그러나 습증기는 가열 효율을 감소시키므로 사용 현장이나 분기 배관에서도 제거해야 합니다.
- 배관 마찰 등으로 압력이 떨어지면 증기의 온도도 함께 낮아져 열 손실이 발생할 수 있습니다.
불포화 증기(습증기)
대부분의 플랜트에서 가장 흔히 경험하는 증기는 습증기입니다. 보일러에서 발생한 증기에는 기화되지 않은 물 분자가 섞여 있으며, 아무리 성능이 좋은 보일러라도 3% ~ 5%정도의 습기를 포함합니다. 물이 포화 상태에 가까워지면서 기화가 시작될 때, 일부 물은 안개나 물방울 형태로 증기와 함께 상승해 하류로 전달됩니다. 이러한 이유로 분리 장치가 설치되어 응축수를 제거하는 데 활용됩니다.
과열 증기
과열 증기는 습증기 또는 포화 증기를 포화 온도 이상으로 더 가열함으로써 생성됩니다. 이는 같은 압력에서 포화 증기보다 더 높은 온도와 낮은 밀도를 가진 증기를 만들어냅니다. 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 장치에는 증기의 건조함을 유지하기 위해 사용합니다.
열 효율과 작업 능력을 개선합니다. 예를 들어, 과열 상태에서는 낮은 압력이나 심지어 진공 조건에서도 비체적의 큰 변화를 만들 수 있습니다.
정상 운전 중에는 증기 구동 장치 내에서 응축수가 발생하지 않아 침식이나 부식으로 인한 손상 위험을 최소화하므로, 과열 상태에서 증기를 공급하고 배출하는 것이 유리합니다. 또한 터빈의 이론적 열효율은 터빈 입구 및 출구의 엔탈피 값으로 계산되며, 터빈 입구 압력이 증가하면 엔탈피가 상승하여 열효율을 개선에 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. 반면 직접 가열을 위한 열원으로 볼 때는, 산소가 없는 상태에서 사용할 수 있다는 점에서 뜨거운 공기보다 유리합니다. 또한 조리 및 건조와 같은 식품 가공 분야에서는 과열 증기의 활용 가능성에 대한 연구가 진행되고 있습니다.
초임계수
초임계수는 임계점을 초과한 상태의 물을 말합니다. 임계정은 22.1MPa, 374°C(3208psia, 705°F)이며, 이 지점에서 증기의 잠열은 0 이 되고 비체적은 액체나 기체로 구분하더라도 동일합니다. 다시 말해, 임계점보다 높은 압력과 온도에서 존재하는 물은 액체도 기체도 아닌 구별할 수 없는 상태입니다.
초임계수는 발전소에서 높은 효율을 요구하는 터빈 구동에 활용됩니다. 또한 액체와 기체의 성질을 동시에 지닌 유체로서, 특히 화학 반응을 위한 용매로 적합한지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.
물의 다양한 상태
불포화 수
이것은 가장 알아보기 쉬운 상태의 물입니다. 액체 상태의 물에서는 수소 결합이 물 분자를 서로 끌어당깁니다. 그 결과 불포화수는 상대적으로 작고, 밀도가 높으며 안정적인 구조를 갖습니다. 인체의 약 70% 도 물로 이루어져 있습니다.
포화 증기
포화 증기 분자는 눈에 보이지 않습니다. 포화 증기가 배관에서 배출되어 대기로 방출되면, 그 일부가 주변 공기에 열을 전달하면서 응축되어 하얀 증기 구름을 형성합니다. 증기가 이러한 작은 물방울을 포함할 때 이를 습증기라고 부릅니다
스팀 트랩에서 배출되는 증기는 종종 포화 증기(생증기)로 오해되지만, 실제로는 재증발 증기입니다. 포화 증기는 배관 출구에서 바로 눈에 띄지 않는 반면, 재증발 증기는 발생 순간 작은 물방울이 섞여 눈에 보이는 특징이 있습니다.
과열 증기
과열 상태가 유지되는 동안에는 증기가 대기와 접촉해 온도가 낮아져도 응축되지 않습니다. 따라서 증기 구름이 생기지 않습니다. 과열 증기는 동일한 압력 조건에서 포화 증기보다 더 많은 열을 저장하며, 분자 운동이 활발해 밀도가 낮고 비체적은 더 크게 됩니다.
겉으로 보기에는 구분할 수 없지만, 이 상태의 증기는 액체도 기체도 아닙니다. 분자의 운동은 기체처럼 활발하지만 밀도는 액체에 가까운 독특한 성질을 지니고 있습니다.