포화증기 와 과열증기

포화증기 와 과열증기

 

1. 포화증기(saturated steam, 飽和蒸氣) 와 과열증기(superheated vapor, 過熱蒸氣) 의 개념

끓는점에서 증발 한 상태의 증기를 포화증기 라 합니다.

포화 상태는 액상의 물과 기상의 물이 공존하고있는 상태에서 다른 표현을하면, 증발하는 속도와 응축하는 속도가 동일합니다. 포화온도는 액체 냉매 (물) 및 기체 냉매 (수증기)가 공존 할 때의 온도입니다.
액체와 기체가 공존하는 상태를 가열하면 액체의 일부가 기화되어 공급 된 열량을 기화 잠열로 흡수하기 때문에, 액체가 공존하고있는 한, 같은 압력 하에서 온도가 일정하게 됩니다.

​보일러에서 발생하는 증기는 기본적으로 포화 증기입니다. 가열 원으로 보았을 경우, 여러 가지 우수한 특성이 있고, 100 ℃ ~ 200 ℃의 가열을 위한 열원으로는 매우 널리 사용되고 있습니다.

포화 증기는, 압력이 높은 경우에는 끓는점이 상승하기 때문에, 온도가 높아지고, 기압이 낮은 경우에는 끓는점이 떨어지기 때문에 온도가 낮아집니다.

​포화수를 다시 가열하면 점차 증기로 바뀌면서 체적은 크게 늘어납니다. 이 현상을 증발(Evaporation) 이라고 하는데, 이때 가열을 급속하게하면 내부에 기포가 발생해서 물을 약동 시키게 됩니다.  이 현상을 비등(Boiling)이라 합니다.

물이 전부 증발할 때까지 가해진 열은 물을 증기로 바꾸는 데에만 소비되어 온도는 포화온도에서 머물게 됩니다.

이 상태에서는 수분과 증기가 공존해 있으므로 습증기(Wet Steam) 라고 하며, 다시 이것을 가열하여 완전히 증발시키게 되면 수분이 전혀없는 증기로 되는데 이것을 건조 포화 증기(Dry Saturated Steam)라고 합니다. [이 양자를 합쳐 포화증기(saturatedsteam) 라고 부릅니다]

포화증기는 아래의 이유로 열원으로써 널리 이용되고 있습니다.

      ㆍ 잠열 가열에 따른 빠르고 균일한 가열이 가능 → 품질, 생산성 향상

      ㆍ압력과 온도관계를 정확하게 설정할 수 있음 → 온도제어에 따라서 압력제어가 가능

      ㆍ열전달율이 높음 → 전열면적을 작게할 수 있어 설비투자의 경감

      ㆍ원래는 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.

건조 포화 증기(Dry Saturated Steam)를 다시 더 가열하면 온도는 포화온도를 넘어서 올라가게 됩니다. 포화온도 이상으로 가열된 증기를 과열 증기 (Super Heated Steam) 라 합니다.

포화증기를 일정한 압력하에서 가열하면 과열증기가 됩니다. 즉, 과열 증기는 포화 증기를 더욱 가열함으로써 어떤 압력에서 포화 온도 이상의 증기 온도를 가진 증기를 말합니다. 증기기관에서는 응결이 발생하지 않는 등의 이점이 있기 때문에 예를 들어, 주로 동력 용도로 사용되며, 가열 용도로는 그다지 사용되지 않습니다.

과열 증기가 가열 원으로 그다지 사용되지 않는 주된 이유는 다음과 같습니다.

  ㆍ  과열된 부분은 현열이기 때문에 가열하는 동안 온도 변화가 발생 → 품질에 영향을 끼침
  ㆍ  압력이 일정하여도 온도를 일정하게 정할 수 없다 → 압력제어가 가능치 않음
  ㆍ  열전달율이 낮아 열전도 효율이 나쁘다 → 생산성 · 설비 투자에 미치는 영향

이처럼 열교환기를 이용해 가열하면, 가열 원으로 포화 증기보다 뛰어난 점이 없습니다. 반면, 직접 가열 용의 열원으로서의 「고온 가스 체」로 본 경우는, 무산소 상태에서 가열 할 수있는 등의 측면에서 공기를 가열하는 열풍보다 뛰어나 식품 등의 소성·건조 용도의 연구가 진행되고 있습니다.

터빈의 동력원으로 과열 증기를 사용하는 주된 이유는 다음과 같습니다.

  ㆍ  증기 원동기는 응축수를 싫어하기 때문에, 증기의 건조도를 저하시키고 싶지 않기 때문에
  ㆍ  열효율의 향상

과열 상태로 공급해 과열 상태를 유지한 채로 배출 시키면, 부식의 원인이되는 응축수가 증기 원동기 안에서 발생하지 않아 좋은 것입니다. 또한 터빈의 이론 열효율은 터빈 입구와 출구의 엔탈피 값으로 계산되기 때문에, 압력뿐만 아니라 과열도도 올려 터빈 입구 측의 엔탈피를 증대시키는 것이 열효율의 향상에 효과적입니다.​

2. 증기선도

1) P-V 선도 [pressure-volume diagram or indicator diagram ]

     이상 설명한 것을 압력 p[㎏/㎠]를 세로축으로, 가로축에 비용적 v[㎤/㎏]를 취해 준 p-v선도로 나타내면 그림처럼된다.

하나의 직각 좌표의 세로축에 압력(P), 가로축에 비체적(V)을 표시하고 유체의 변화에 따른 P와 V와의 관계를 그려 나가는 것으로, 열이 일로 변화하는 과정을 알아보는 데 편리하다. 열기관(증기 터빈) 성적을 분석할 때 사용하며, 인디케이트(지압) 선도라고도 한다.

​

b1~b3를 포화 수선, c1~c3를 포화증기선이라 하고, 양자를 합쳐서 포화 한계선이라고 한다

.

b1~b3의 선과 그 왼편이 물, c1~c3선이 건조 포화 증기, c1~c3의 오른편이 과열증기, b1~b3와 c1~c3와의 사이가 포화 증기이다.

이때 2개의 포화선 b1~b3 와 c1~c3 는 압력이 높아짐에 따라 점점 접근해서 드디어는 K점에서 일치하게 된다.

이 점을 임계점 (Critical Point)이라고 하며, 이때의 온도와 압력을 각각 임계온도, 임계압력 이라고 한다.

물의 임계점의 온도는 374.15 [℃] 이고, 압력은 225.65 [㎏/㎠a]이다.

 

 2) T-s 선도  [Temperature-entropy Diagram ]

     T-s 선도는 그림과 같이 절대온도 T를 세로축으로 하고, 엔트로피 s 를 가록축으로 잡아 준 선도로서 K는 임계점이며 이 K를 점점으로 한 산 모양으로 나타내고있다. 

엔트로피 da=dQ/T 의 식으로 부터 dQ=T ds로 되어 T-s선도 내의 면적이 열량을 나타내고 있는 것이 바로 이 선도의 특징이다. 또한 단열변화는 엔트로피가 일정한 것이기 때문에 T-s선도에서는 이것이 수직선으로 표시되고 있다.

상태가 1인 물을 일전한 압력하에서 가열하면 포화수 2로되고, 이어서 수평인 습증기의 선 2-3에 따라 증발해서 전부 증기로 되면 상태 3에 달하게 되며 일정한 압력하에서 다시 가엻해 주면 4의 가열증기로 된다.

하나의 직각 좌표의 세로축에 절대온도(T), 가로축에 엔트로피(S)를 표시하고 이들 관계를 선도로 나타낸 것으로, 엔트로피 선도라고도 한다.

3. i-s 선도

  이것은 그림에 보는 바와 같이 엔탈피를 세로축으로 하고 엔트로피 s를 가로축으로하는 선도로서 창안자의 이름을 따라 몰리에선도(Mollier Chart)라고 부르기도 하는데, 증기터빈의 효율계산 등에서 널리사용되고있다.

이 i-s 선도의 특징은,

(1) 단열 변화가 수직선으로 표시 된다는 것 (등엔트로피 변화)

(2) 노즐의 드로틀링 팽창은 수평선으로 표시 된 다는 것 (등엔탈피 변화) 등이다.

 몰리에르 선도 [Mollier chart, - 線圖, モリエ線図]

엔탈피 h를 종축에 엔트로피 s를 횡축으로 취해, 증기의 상태(압력 p, 비용적 v, 온도 t, 건도 x 및h, s)를 나타낸 선도다(=h-s선도). 증기의 상태(t, p, v, x, h, s) 중 2개의 상태를 알면, 몰리에르 선도로부터 다른 상태를 알 수 있다.

[그림의 A점의 증기 상태]
t=300℃, p=10kg/cm²
v=0.2632m³/kg, h=729.1kcal/kg
s=1.7041kcal/kgㆍK의 과열 증기.

과열증기 

■보일러에서의 과열증기 발생
보일러에서 생성된 증기를 더 가열하면 증기의 온도는 포화온도 이상으로 상승할 것이다. 이때의 증기를 과열증기라하고 포화온도와 과열증기의 온도차이를 과열도라 한다. 보일러 내에서 포화수가 있는 상태에서 발생된 증기는 과열되지 않으므로, 통상적으로 보일러에서 발생된 뜨거운 연소가스를 1차 가열매체로 사용하는 별도의 과열기를 통과해야만 포화증기는 과열된다. 

■감압을 통한 과열증기 발생
어떤 조건 하에서, 밸브 오리피스를 통해 증기가 통과하면 증기가 과열될 수 있다. 그러나 콘트롤 밸브 입구측에서 증기가 100% 건조하거나 거의 건증기일 때, 그림 1에서 보는 것과 같이 과열현상이 발생한다. 압력강하가 크다면(8 bar g 이상에서 1bar g로) 습증기에서도 과열증기 발생이 가능하다.
증기가 직접적으로 제품을 가열하거나 제품에 수분을 공급하는 공정에서 이 현상은 매우 중요하다.

이 과정이 완전 단열공정으로 에너지의 유입이나 사용이 전혀 없다고 가정하면, 감압밸브의 양쪽에서 증기의 전열은 2,764 kJ/kg(=661 kcal/kg)로 일정할 것이다.
포화증기표에서 보면 1 bar g 증기의 온도는 120℃이다.
만일  건포화증기라면  증기의  전열(hg)은  2,707 kJ/kg (=647 kcal/h)이다. 그러나 감압된 증기의 전열은 2,764 kJ/kg(=661 kcal/h)으로 일정하기 때문에, 2차측에 있는 1bar g 압력의 증기에는 과잉의 열이 존재한다. 이 과잉의 열이 2차측의 증기온도를 상승하게 만든다. 

감압밸브 1차측 증기의 압력 : 6 bar g 건포화증기 1차측 증기의 전열 : hg = 2,764 kJ/kg (=661kcal/h)
감압밸브 2차측 증기의 압력 : 1 bar g
이 시스템의 2차측 조건 1 bar g에서 증기의 전열은 같아야한다.
감압밸브 2차측 증기의 전열 : hg = 2,764 kJ/kg  (=661 kcal/h)
1 bar g 포화증기의 전열 = 2,707 kJ/kg(=647 kcal/kg)
2차측 증기의 과잉 에너지 = (2,764-2,707) kJ/kg = 57 kJ/kg 또는 (661-647)kcal/kg = 14 kcal/kg
이 조건에서 증기의 비열 = 2.06 kJ/kg ℃(=0.49 kcal/kg ℃)
그러므로, 2차측 증기의 과잉 에너지에 의한 온도 상승 = (57 kJ/kg)/(2.06 kJ/kg ℃) = 28℃
그리고, 1 bar g에서 과열증기의 온도   : 120℃+28℃ = 148℃
뒤에 나오는 몰리에 선도(Mollier, 증기에 대한 엔탈피/엔트로피 도표)나 과열증기표를 보면 2,764 kJ/kg(=661 kcal/kg)을 가지고 있는 1 bar g 증기의 온도는 148℃이다. 

■감압밸브에 의한 포화증기의 건도 향상
어떤 포화증기 시스템에서도, 100% 건조한 증기는 거의 없다. 감압된 증기에서 과잉의 엔탈피는 증기를 과열시키기 전에 먼저 증기내에 존재하는 수분을 증발시킨다. 이 수분을 완전히 증발시킬 수 있을 만큼 충분한 엔탈피가 있지 않다면, 증기는 과열되지 않고 단지 건도(χ)만 상승하여 포화증기의 질을 향상시키는 결과를 가져온다.
예 :
1차측 조건 = 6 bar g, 0.95 건도(χ)
2차측 조건 = 1 bar g, 건도(χ´)는 계산되어야 한다.
1차측 조건을 고려하면 :

​증기의 전열, hg = 현열(hf)+잠열(hfg)×건도(χ) = 698 kJ/kg+(2,066 kJ/kg×0.95)
  [=167 kcal/kg+(494 kcal/kg×0.95)] = 2,661 kJ/kg(=636 kcal/kg)
2차측 조건을 고려하면 :
1bar g의 감압된 증기는 2,661 kJ/kg(=636 kcal/kg)의 전열(hg)을 갖는다.
전열(hg) = 현열(hf)+잠열(hfg)×건도(χ´)

​2,661 kJ/kg = 506 kJ/kg+2,201kJ/kg×건도(χ´) 

건도(χ´) = 0.98
그러므로, 이 예에서 설명한 증기는 과열되지 않고 더욱 건조해질 뿐이다. 이는 증기를 감압할 때 감압된 증기에 존재하는 과잉의 엔탈피가 부분적으로 수분을 증발시키기 때문이다. 

■과열증기의 응용
과열증기의 응용처를 예로 들면, 과열증기는 터빈에서 노즐을 통해 로터로 바로 공급되고 로터는 회전한다. 이것을 가능하게 하는 것는 오직 증기에너지에서만 나올 수 있기 때문에 당연히 증기는 터빈의 로터를 통해 지난간 후 에너지를 잃게 된다. 만약 처음에 증기가 포화온도 상태이면 이 에너지 손실에 의해 증기의 일부가 응축하게 된다. 또한 터빈은 항상 몇개의 단(stage)을 가지고 있어 첫번째 로터에서 나온 배출증기는 곧바로 동일한 샤프트에 있는 두번째 로터로 유입된다.
이는 포화증기를 사용하면 연속된 단을 통과하면서 점점 더 습증기가 된다는 것을 의미하며, 결국 이들 물방울에 의해 워터해머가 발생할 뿐만 아니라 터빈 내에서 심각한 침식을 유발하여 터빈에 손상을 입히게 된다.
이것만이 터빈에 과열증기를 사용하는 유일한 이유는 아니다. 즉, 과열증기는 상당히 높은 속도로 이송될 수 있으며, 노즐을 통해 주어진 물리적 구경에 비해서 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다. 터빈과 같은 어떠한 열 엔진도 100% 효율을 갖지 못한다. 오직 이론적으로 가능한 최대효율은 다음 식으로 주어진다.
     η = (T1-T2) / T1
여기서, T1과 T2는 사용유체(이 경우에는 증기)의 유입온도와 터빈에서 배출되는 온도이다. 이 목표 효율은 응축기에서 진공도를 높혀 배출되는 증기온도 T2를 낮추면 증가한다.
그러나 현실적으로 진공도는 응축기 냉각수의 온도에 의해 한정되어 있다. 최대 가능 효율을 향상시키는 유일한 다른 방법은 터빈에 공급되는 증기를 과열시켜 입구온도 T1을 올리는 것이다. 물론, 실질적인 터빈은 여기에서 설명하는 이상적인 효율 또는 카르노(Carnot) 효율에 비해 훨씬 낮은 효율을 갖는다

전력을 생산하는 터빈에서 과열증기가 200℃ 이상의 과열도를 갖는 150 bar g/550℃의 조건에 있다고 하자. 과열에 의한 과잉의 에너지는 다음과 같이 계산된다. :
150 bar g에서 포화증기의 전열(hg)  = 2,611 kJ/kg(=624 kcal/kg)
150 bar g/550℃에서 증기의 전열(hg) = 3,445 kJ/kg(=823 kcal/kg)
그러므로 과잉의 에너지 = (3,445-2,611) kJ/kg  = 834 kJ/kg(= 199 kcal/kg)
먼저 이 증가된 에너지가 열전달에 유용할 것으로 생각되지만, 과열증기는 바로 응축되지 않기 때문에 열전달에 매우비효율적인 것은 자연적인 현상이다. 과열증기는 우선 포화온도로 냉각되어야만 가열에 유용하게 사용될 수 있으므로 과열증기는 가열 목적에는 일반적으로 적합하지 않다.
예 :
6 bar g/200℃의 증기는 2,846kJ/kg(=680 kcal/kg)의 전열을 가지고 있다. 반면에 6barg의 포화증기는 165℃의 포화온도에서 2,764 kJ/kg(=661 kcal/kg)의 전열을 가지고 있다. 200℃의 증기는  165℃로 냉각된 후, 2,065 kJ/kg (=494 kcal/kg)의 증발잠열이 이용 가능하게 된다. 포화온도로  35 ℃  냉각하는  데  소모되는  에너지는  82 kJ/kg (=20 kcal/kg)이며 비열은 약 2.34 kJ/kg ℃(=0.56 kcal/kg ℃)이다.

이것은 이 온도 영역에서 과열증기의 비열은 매우 낮고 열전달 장치에서 과열증기는 거의 쓸모가 없다는 것을 보여준다.
과열증기가 존재하면 공정(증기가 응축할 때 제품에 유입되는 수분에 의존하는 공정)의 성능이 떨어지는 실례가 있다.
한 예는 가축사료를 팰릿(pellet)으로 만들기 전에 상태를 조절하는 작업에서 증기에 의해 공급된 수분이 공정에 필수적인 경우이다. 과열증기는 부적절하게 가열하고 사료를 축축하게 하지 못하기 때문에 팰릿으로 만드는 것을 어렵게 한다.
이런 종류의 공정에서 일반적으로 감압밸브 또는 온도 콘트롤 밸브를 설비의 약 6m전에 설치하고 배관을 보온하지 않은 경우, 배관에서 방열손실로 인해 증기가 포화상태로 공정에 도달하는 것을 발견할 수 있다.
결론적으로, 열교환설비에서 과열증기가 필요 없는 이유는 다음과 같다. :
- 포화증기에 비해 낮은 열량을 갖고 있다.
- 열전달설비에 좋지 않다.
- 공정 성능을 저하시킬 수 있다. 

■몰리에 선도(Mollier diagram-엔탈피/엔트로피 선도)
다음의 간략한 몰리에 선도는 과열증기의 압력(P),온도(T), 엔탈피(h)와 엔트로피(s)의 관계 및 포화증기의 건도(χ)를 보여준다. 여기에서, 엔트로피를 설명하는 것은 가치있는 일일 것이다.
유체의 엔트로피는 특정한 온도와 압력에서 분자의 무질서도를 정량화한 것이다.
물이 증발하여 증기가 되면 분자의 무질서도를 증가시키므로 엔트로피는 증가한다. 반대로, 증기가 응축하여 액체상태의 물이 되면 엔트로피는 감소한다.
엔트로피가 유체의 열역학적인 특성이지만 분자의 무질서도를 측정할 수 있는 어떤 장비도 없기 때문에 엔트로피를 바로 측정할 수는 없다.

엔트로피는 대부분 학문적인 목적으로 사용되고 일반적으로, 열전달 계산에서는 사용되지 않는다.

몰리에 선도는 포화증기​곡선에 의해 과열증기와 습증기 영역으로 구분되어 있다.

도표에있는 선들은 상태점(State Point)이 위치되도록 한다. 그리고 공정의 초기 및 최종 상태점(State Point)이 알려져 있다면, 이들을 연결하는 선은 공정의 변화를 나타낼 수 있다.

스팀터빈이나 스팀엔진 내에서 완전팽창(Perfect Expansion)은 하향 수직선에​의해 도표에 표시되는데 그 이유는 하향 수직선은 등엔트로피/압력감소 과정에서 엔탈피가 감소하기 때문이다. (그림 3a)

반면에 증기배관의 감압밸브를 통한 완전 교축(Perfect Throttling)은 등엔트로피/엔트로피 증가과정으로 볼 수 있으며 그 결과 압력이 감소하므로 도표의 좌측에서 우측으로 가는 수평선으로 나타난다.

이 두가지 예는 증기공정을 ​분석하기 위해 도표를 사용하는 장점을 설명한다. 도표를 사용하는 방법은 그와 같은 공정을 생생하게 설명해 준다. 그렇지만, 만약 공정의 마지막 상점은 도표에 의해 표시된 영역의 바깥에 있다면 표와 계산 공식을 이용할 수 있다. 

예 1 

터빈을 통한 a점에서 b점으로 이동하는 증기의 완전팽창과정을 검토한다.

​ 

a점에서,

      P1 = 50 bar abs       T1 = 300 ℃ ​ 

      h1 = 2,935 kJ/kg (= 701 kcal/kg)  

      S1 = 6.22 kJ/kg K (= 1.49 kcal/kg K) 

b점에서,

      P2 = 50 bar abs       T2 =  60 ℃ ​ 

      h2 = 2,050 kJ/kg (= 490 kcal/kg)  

      S2 = 6.22 kJ/kg K (= 1.49 kcal/kg K),  χ = 0.76

예 2 

터압밸브에 의한 a점에서 b점으로 이동하는 완전교축과정을 검토한다.

​ 

a점에서,

      P1 = 10 bar abs       T1 = 180 ℃ ​ 

      h1 = 2,940 kJ/kg (= 655 kcal/kg)  

      S1 = 6.49 kJ/kg K (= 1.55 kcal/kg K) ,  χ = 0.98

b점에서,

      P2 = 5 bar abs       T2 =  152 ℃ ​ 

      h2 = 2,740 kJ/kg (= 655 kcal/kg)

      S2 = 6.79 kJ/kg K (= 1.62 kcal/kg K),  χ = 0.99

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