스팀 히팅 (증기에 의한 가열 및 증기의 열전달)

스팀 히팅 (증기에 의한 가열 및 증기의 열전달)

증기에 의한 가열

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증기로 가열하는 가정용 오븐도 많아졌습니다. 옛날부터 증기로「찌다」라는 사용법은 가정에서 친근하게 이용되어 온 방법입니다.

오븐이나 찜은 피가열물에 증기를 직접 접촉시키는 직접 가열입니다. 가정용과 비슷하지만 규모가 커진 것, 살균·멸균 용도, 고무 제품의 가류 공정 등, 증기에 의한 직접 가열은 산업용으로도 넓게 이용되고 있습니다.

한편, 산업용으로서 직접 가열 이상으로 넓게 이용되고 있는 가열 방법이 있습니다. 그것은 간접 가열이라고 하는 방법입니다.

간접 가열이란?

간접 가열이란, 「열교환기」와 같은 것을 사용하는 가열 방법입니다.

증기의 열은 열교환기의 벽면을 통해서 피가열물에 전달 됩니다. 따라서 증기와 피가열물은 직접 접촉하지 않습니다. 증기 가열로 사용되는 열교환기로는 쟈켓식의 솥이나 코일-튜브 또는 플레이트식 열교환기, 핀(플레이트 핀, 에어로 핀)이 포함된 튜브 등이 대표적입니다.

이런 열교환기를 사용하는 가열 방법은 증기에 한정되지 않고, 온수나 기름 등 다른 열매체를 사용할 때에도 행해집니다.

증기 가열의 특징

그럼, 온수나 기름을 사용한 가열과 증기를 사용한 가열과는 무엇이 다른 것일까요?

증기에 의한 가열

증기는 기체 상태로 열교환기에 공급되어 액체 상태(응축수)로 변하여 열교환기로부터 배출 됩니다.

온수나 기름에 의한 가열

온수나 기름은 고온 상태로 열교환기에 공급되고 온도가 떨어진 상태로 열교환기로부터 배출 됩니다.

즉, 온수나 기름 등은 자체의 온도를 떨어뜨려 일을 하는 반면에 , 증기는 기체에서 액체로의 상변화를 통해 일을 한다고 말할 수 있습니다.

증기에 의한 응축전열은, 온수나 기름에 의한 대류전열에 비해 현격히 큰 가열이 가능합니다. 이것으로 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 같은 전열면적을 가지는 열교환기의 경우는…
• 증기 가열이라면 가열 시간을 단축할 수 있다.

• 새로운 열교환기를 설계하는 경우, 같은 일을 하기에도…   
• 증기를 사용하면 전열면적을 작게 설계할 수 있다.

이것은 증기의 중요한 장점 중의 하나이고, 이 밖에도 증기는 여러가지 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 그 때문에 산업적인 열원으로서 넓리 중용 되고 있습니다.

이것들에 대해서는  「증기의 열전달」로 설명하겠습니다.

증기의 열전달

증기 가열의 대표적인 특징

열매체로 보았을 경우의 증기는, 다른 열매체에는 없는 뛰어난 특징이 있습니다. 그 중에서도 대표적인 특징은 아래의 두가지 입니다.

• 균일한 가열을 할 수 있다.
• 빠른 가열이 가능하다.

이번에는 이러한 특징에 대해 열전달의 측면에서 좀 더 자세하게 생각해 보겠습니다.

어떻게 일정 온도로 균일한 가열이 가능한가?

포화 증기는 압력이 정해지면 증기의 온도도 정해집니다. 압력은 공간내에서 순간적으로 변화합니다. 그리고 포화 증기의 응축은 그대로 포화 온도로 발생하게됩니다. 포화 증기와 응축된 포화수의 온도는 같습니다. 즉, 전열면(장치의 쟈켓이나 코일의 내부)을 일정한 압력으로 유지할 수 있다면, 전열면의 어느 곳에서도 같은 온도로 가열을 계속할 수 있습니다.

가열의 속도

열전달의 크기를 나타내는 지표로 열전달계수(= 경막전열계수)가 있습니다.

단위는 [W/m²K]입니다.

W = J/sec 이며, 같은 전열면적과 같은 온도차로 열교환을 실시한다고 하면, 열전달율이 큰 만큼 단시간에 가열을 할 수 있게 됩니다.

온수와 증기의 열전달율은 대체로 아래와 같습니다.

• 온수를 열원으로 사용하는 열교환기의 전열면에 열이 전해질 때의 열전달율:
• 1000 ~ 6000 [W/m²K]
• 증기를 열원으로 사용하는 열교환기의 전열면에 열이 전해질 때의 열전달율:
• 6000 ~ 15000 [W/m²K]

실제 가열에서는, 열교환기 전열벽 내의 열 전달 방법과 열교환기 전열면으로 부터 피가열물에 열이 전해지는 방법이 관계되기 때문에, 그것들을 종합 한 지표로서 총괄열전달계수[W/m²K]로 평가할 필요가 있습니다. 이 계수는 열교환기에 따라 매우 다양하지만, 증기 가열은 온수 가열에 비해 1.5배~2배 정도의 수치를 나타냅니다.

어떻게 빠른 가열이 가능한가?

응축열전달 (증기)

그 비밀은 역시 응축 과정에서 발생하는 열전달입니다.

증기는 응축되어 액체로 돌아오는 순간에, 보유하고 있는 잠열을 방출합니다. 방출된 잠열의 양을 응축 후의 온수(포화수)가 가지는 현열의 양과 비교하면, 그 차이는 실제로 2배~5배 정도가 됩니다. 이 열이 일순간에 방출되어 열교환기를 사이에 두고 피가열물에 전해집니다.

대류열전달 (온수나 기름)

한편, 온수 등은 상변화를 수반하지 않는 대류열전달이며, 열매체는 자체의 온도를 떨어뜨리며 피가열물에 열을 전합니다. 산업현장에서는 펌프를 이용해 가압한 후, 강제로 흐르게 하는 방법이 주로 사용됩니다.

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