열랑 계산을 위해서 아래와 같은 전제를 하여 보았습니다.
전제 조건(설정): 초기온도 15℃ 인 1,500 리터(ℓ)의 물을 0.7 MPa의 증기로, 직접 가열로 90 ℃ 까지 따뜻하게 하는 열량을 어떻게 계산하여 구할 수 있는지, 과정을 거쳐가며 생각해 보도록 하겠습니다.
단, 로스는 무시하도록 하며, 증기가 직접 나오는 노즐 구멍은 2 mm로 50개소 있다고 가정하였습니다.
▶ 물의 비열 4186 [J/kg·K] 로 부터, 1500 리터(ℓ)의 물을 0.7 MPa의 증기로 2mm의 구멍 50개소를 사용해 (90-15)K 올리는 열량은, 4186 × 1500 × (90-15) = 470925000 (J) 입니다. 증기압이 1천억MPa에서도, 노즐의 수가 5백천개라도 대답은 같을 것 같습니다
▶ 15℃에서 90℃까지 오르는 동안에 손실 열량 계산에 대해서? (Ⅰ)
「15℃, 1500리터(ℓ)의 물을 0.7MPa의 증기로 직접 가열하여 90℃까지 데우는 열량」이라는 말에서, 일정량의 물의 온도를 어느 온도만큼 상승시키는 열량을 정하는 정보를 얻게 되면, 「15℃, 1500ℓ의 물을 90℃까지 데우는 열량」이 필요하며, 라는 그 이외의 정보는 필요 없다고 생각됩니다.
여기에서, 손실(로스)을 고려해 달라는 말을 들으면, 대답이 나오지 않을 것 같습니다. 손실(로스)을 고려하기 위해서는 먼저, 요구하는 열량이, 물에 주어지는 열량인지?, 증기가 손실(잃는)되는 열량인지?, 를 결정할 필요가 있습니다. 이것이 불분명하게 되면, 전제 조건의 미비가 되는 것입니다.
물에 주는 열량을 구하라는 요구로 된다면, 손실을 고려해도 대답은 동일합니다. 물 1500L의 온도를 75℃ 상승시키는 열량은 항상 동일합니다.
한편, 증기가 손실되(잃)는 열량을 구하라는 요구라면, 전제 조건인 설문에 대한 정보가 부족하게됩니다. 이 경우의 로스는 아마도 대기로 도망치는 열량을 말하는 것이 될것 같습니다. 이것은 증기가 나오는 구멍의 치수와 숫자로 계산할 수 없습니다. Loss를 n % 로 정의해도 된다면 물에 주는 열량에 이를 가하면 됩니다. 로스의 열량을 계산하라고 한다면, "열 전달률" 등 이런 것이라도 더 필요하게 되는 것이겠지요. 이것은 일반적으로 "실험에서 요구하는 숫자"일 것입니다. 실험해도 좋다고 한다면, 증기의 유량으로부터 불필요하게 잃은 열량을 알 수 있을 것입니다.
2 mm 라든가, 50개 라든지는 사용하는 장소가 없을 것 같습니다.
따라서 위의 전제 조건하(지정된 "물량 과 상승온도")에서는 어떤 경우라(에)도 전제 조건이 변하지 않는 이상, 열량이 같은 것을 알게 되었을 것입니다.
▶ 15℃에서 90℃까지 오르는 시간을 계산해 낼 수 있을까요? (Ⅱ)
물이 15℃에서 90℃까지 오르는 시간, 이 시간은 주로 소비하는 연료 (가스, 석유 등)의 유량과 발열체인 열교환기로서의 효율에 달려 있다고 생각합니다.
즉, 증기표에서 0.7MPa의 증기는,
포화 증기 온도 164.9528 [℃]
증기 잠열 2065.6057 [kJ/kg]
그렇기 때문에, 1kg의 증기가 100℃의 물이 될 때까지 2065605.7 J의 열을 내는 것입니다.
1kg의 증기가 100℃의 물이 된 후에 상대의 물을 따뜻하게 하는 열량은, 상대의 물의 온도에 따라 시시각각 달라집니다.
물의 비열은 4186J/kg·K라고 하므로, 가열 대상의 물이 있을 때의 온도를 T라고 하면, 4186×(100-T)J의 열량이 원증기였던 물로부터 따뜻해지는 물로 이동할 수 있습니다. 물이 15℃일 때 355810J. 물이 90℃일 때 41860J로 항상 이 사이의 어딘가입니다. 적분이 필요하게 되어 버렸습니다만, 증기로부터 탕(湯)이 될 때 방출되는 열량 2065605.7J에 비해 작기 때문에 무시시켜 줘도 될겁니다. 약 10% 정도 있을 것 같지만.
그렇다고 해서 열교환기로서의 로스가 다시 무시할 수 있다고 가정하면, 물이 15℃에서 90℃가 되는데 필요한 열량은 470925000(J)로 바로 전에 계산했으므로, 470925000÷2065605.7=228kg의 증기가 필요하고, 열교환기의 효율이 100%일 때, 이만큼의 증기가 흐르는 시간이 승온에 필요한 시간입니다. 또한 열교환기의 효율이 주어지면 그것을 더한 유량이 흐르는 시간입니다. 물을 넣은 급탕 탱크의 열교환기에 증기를 넣어 가열하면 소비하는 가스의 유량이 승온 시간에 영향을 주는 것과 같습니다.
그럼 한 순간에 228kg의 증기를 흘리면, 물은 순식간에 90℃가 되는지?, 라고 하는 곳에서 또 걸릴 것 같지만, 증기의 유량은 아마 열교환기의 현실 효율에 영향을 줄 것입니다.
증기의 배관을 물속에 통과시키는 열교환기라면, 증기를 천천히 흘려 보내면 증기의 출구에서 물에 가까운 온도가 된 원증기의 물이 나올 것입니다. 열교환 자체의 효율은 100%에 가깝습니다. 한편, 동일한(같은) 장치에 다량의 증기를 흘리면, 열교환기에서 열의 교환이 끝나지 않고, 일정 비율의 증기는 출구에서 아직 증기로 남아 있을 수 있습니다. 이것은 열을 버리게되어 효율을 떨어지고(낮추고) 필요한 증기의 양을 증가시킵니다. 이에 대항하기 위해서는 물속을 통과하는 증기배관의 길이를 더 길게 하는 것입니다. 이 필요한 정도는 열교환 배관의 열전달률에 따릅니다.
물 용기 자체의 방열도 손실(로스)이 됩니다.
사실적인 문제로서, 실험적으로 요구받게 되는 부분이라고 생각합니다.
직접 가열이라고 하는 전제 조건인 설정문의 문구에 전제되어 있습니다만, 물속에 증기를 직접 분사한다는 의미였을지도 모릅니다. 이 경우, 물의 용기를 아주 깊게 하고, 바닥으로부터(바닥에서) 증기를 분사하여, 증기의 거품은 수중에서 모두 물이 되어 사라지고, 수면위로 나오지 않으며, 또 용기는 보온병 이상으로 완전히 단열 되어 있다면, 열교환 효율 100%가 됩니다. 그렇게 되면 위에서 계산한 【올바른 방법의】 증기량으로 가열할 수 있을 것 입니다.
상기와 같은 내용으로 저의 생각만으로 과정을 정리해 보았습니다. 여러분은 여러분의 생각으로 정리해 보시길 바랍니다.
O-TRAP 관련 홈페이지 : http://k.o-trap.cn
O-TRAP 관련 E-mail 문의처 :
tjchung@naver.com
tjchung@hanmail.net
O-TRAP 관련 Tel 문의처 : 070-7747-8290
'스팀트랩(드레인배출기,O-Trap)' 카테고리의 다른 글
| 증기 배관 설비에서의 배관 구경 선정 계산 (0) | 2021.12.31 |
|---|---|
| 증기(스팀) 응축수 탱크 관리 및 재증발 증기(플래시 증기) 발생량 계산 (0) | 2021.12.30 |
| 쟈켓탱크의 증기 열교환기에 필요한 열량 구하기 (열교환기 선정을 위한 용량 산출) (0) | 2021.12.28 |
| 증기 건조기의 증기 에너지량 환산 방법 (0) | 2021.12.24 |
| 증기주관(증기 수송관)에서의 스팀트랩 설치간격을 유지하는 이유는? (0) | 2021.12.18 |