과열증기에 관하여

수증기의 과열 수준

일반적으로 증기는 공정 요구사항에 따라 조정된 고온 고압 상태로 이송된다. 보일러에서 사용지점까지 이송 효율 저하로 인한 응축수의 발생이나 증기 파이프라인에서 외부 열손실 같은 문제를 해결하기 위해 증기가 과열 수준에 있을 필요가 있다. 공정 요구사항에 따라 고온 고압의 증기가 감압밸브를 통해 압력을 낮춘 후 공정 설비로 공급된다. 감압증기는 포화증기와 비교해서 그림 1의 붉은색 영역에서 보는 것과 같이 고온으로 과열된다. 예를 들어, 40 barA 압력의 포화증기(포화온도 250.3℃)를 5 barA(포화온도 158.8℃)로 감압하면, 과열증기 상태에서 포화온도보다 19.3℃ 높은 178.1℃ 가 된다.

과열 증기의 성질

포화 증기보다 온도가 높음 포화 증기보다 비부피가 큼 포화 증기 엔탈피보다 에너지가 많음

과열 증기의 장점

일반적으로 높은 압력상태로 만들어짐, 그 비부피는 저압 증기보다 적음 그래서 적어진 파이프 지름 때문에 운송 효율이 높아짐 낮은 과열 수준의 증기를 운송하면서 발생하는 응축수에 의해 발생되는 부식으로부터 기계가 보호됨 증기의 열에너지 즉 과열 증기의 고 엔탈피가 기계 터빈 등 기계의 효율을 증대시킴 만일 터빈의 출구에서의 습식 스팀을 감소시키기 위해 저압 터빈의 입구에서 과열수준이 상승되면 응축수 발생면적은 최소화될 수 있다.

과열증기의 단점

과열 증기의 총에너지는 액체 상태의 현열과 증기열에 과열 증기의 현열을 더한 것이다. 과열 수준이 오르면 과열 증기의 현열은 증발열에 비해 증가한다. 예를 들어 10 barA의 포화증기(포화 온도 179.9℃)는 762.6 kJ/kg의 현열과 포화증기의 2,013.5 kJ/kg의 잠열로 구성된다. 이와 비교하여 10 barA/300℃ 과열증기의 엔탈피는 3,051.4 kJ/kg이다. 만일 과열 증기가 공정 매체의 온도를 조절하기 위한 열원으로 사용된다면 열원의 온도 변화와 국부적인 온도편차가 발생하기 때문에 온도 조절과 공정제어는 어려워지게 된다. 과열증기의 열전달 계수는 포화증기의 상변화의 그것보다 작다. 따라서 공정시설은 더 커야 하고 작동 및 유지보수 비용도 상당히 증가하게 된다. 과열 수준이 높을 경우, 고정밀 측정장치가 필요하며 제조공정 시설면에 있어서 특별한 고려를 필요로 한다.       ​ < 그림1 물과 스팀의 압력 온도 그림>       <그림2 자체작동 압력 감소 기계적 분사 노즐 형 de-super 히터 스테이션>

 

 

 

과열 수준 감소 방법

과열 수준을 감소한다는 것은 과열 증기의 온도를 포화증기 혹은 +10℃ 정도의 증기로 전환하는 것을 의미한다. 과열 수준을 감소하는 방법은 두 가지가 있다.

직접 접촉 방식

그림 2와 같이 과열 수준을 조절하는 한가지 방법은 고압 증기의 압력을 감소시킨 후에 냉각수를 압력 강하 밸브로 저압 과열 증기에 직접 분사하는 것이다. 직접 냉각수 분사방식을 통해 두 액체의 조성은 같아야 하고 공정의 문제를 야기하지 않도록 잘 섞여야 한다. 직접접촉 방식에 있어서 과열 증기의 온도 수준을 조절하는 장치는 ”De-super heater (DSH)”이다. 이 장치는 +3.0℃의 최소 포화온도까지 과열수준을 측정할 수 있고 +6℃ 정도의 포화온도를 위해 광범위하게 사용된다. 공급된 냉각수의 유속은 온도 센서와 과열 증기 온도수준에 따라 DSH의 출구에 설치된 흐름 제어밸브로 조절된다. 냉각수는 과열증기에 의해 가열된 후 증발되고 과열증기의 온도는 증발 공정에서 없어진 에너지 만큼 감소된다.

간접 접촉 방식

전통적인 쉘-튜브 타입 열교환기로 두 액체 사이의 직접 접촉 없이 열교환이 이루어진다. 직접 접촉 방식과 비교해서 열전달 효율이 떨어지지만 두 액체의 조성이 다를 경우 이 방식이 효과적으로 이용될 수 있다. 이 방식은 공기나 해수처럼 과열증기와 혼합될 수 없는 냉각수에 특히 적합하다.

De-super 히터는 스팀 트레이싱 시스템, 보조장치, 열교환기 혹은 LNG 운반선과 발전소를 위한 덤프 시스템 등과 같은 제한된 작동온도를 갖는 스팀 공급 장치에 적용된다. 초 가열된 스팀은 에너지를 전달하는 훌륭한 방법이지만 어떤 적용은 포화 스팀이나 초 침열 스팀을 필요로 한다. 초 가열 스팀 온도를 조절하는 가장 경제적인 방법은 주입 냉각수와 직접 접촉을 통해서이다. 초가열 스팀과 완전히 섞인 주입 냉각수는 초가열 스팀으로부터 에너지를 흡수하여 증발된다. 결과적으로 초가열 스팀의 온도를 낮추는것이다.(대략 포화온도 혹은 설정 온도).

 

 

 

 

 

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