증기의 압력을 낮추면 에너지 절약이 되는 이유는? 단점은?
일전에 어느분으로부터 「증기의 압력을 내리면 에너지 절약이 되는 것은 어째서인지 가르쳐 주었으면 한다」라고 하는 질문을 받았습니다.그래서 그 답변을 이곳 블로그에 써보도록 하였습니다.
1. 증기로 가열을 했을 경우의 계산 방법으로 정리해 보았습니다?
(1) 증기 압력을 내리면 에너지 절약이 된다고 하는 이유
열교환기에 공급하는 증기의 압력을 내리면 에너지 절약이 된다고 하는 이유는 「압력을 내리는 것이 잠열이 증가하기 때문」 입니다.
열교환기를 이용한 간접가열에서는, 피가열물을 가열하는데 사용하는 것은 증기의 잠열입니다. 교환 열량을 가열하고 있는 증기의 잠열로 나누면 증기 사용량을 계산할 수 있지만, 분자의 잠열이 커지면 사용량이 작아진다는 것입니다.
단, 이는 어디까지나 열교환기 단체(単体)에서의 이야기이므로 발생하는 응축수의 열량을 전량 회수할 수 있을 경우에는 별 효과가 없습니다. 또, 상당히 압력의 하락폭이 작지 않는 한은 에너지 절약 효과는 작기 때문에, 유효한 방책인지 어떤지는 미묘한 부분입니다.
또한, 증기 압력 제어의 경우는 효과가 있지만, 피가열물의 출구 온도 제어의 경우는 증기의 온도는 경과하므로 효과는 없습니다.
압력이 떨어지면 잠열이 올라간다는 것은 증기표에서 확인을 할 수 있습니다.
⑵ 증기 압력을 낮추는 데 따른 단점
한편, 증기의 압력을 낮추는 것으로 인한 단점도 있습니다.
◈ 비체적이 커지고 유속이 커진다
증기는 압력이 낮아지면 비체적이 커지므로 같은 배관 지름(직경)으로 같은 양을 흘리려고 하면 유속이 커집니다. 이로 인해 배관의 마모가 진행되거나 압력 손실이 커져 원하는 압력을 말단에서 얻을 수 없게 됩니다.
열교환기 선정 시 사양보다 증기의 압력을 낮출 경우, 내려도 문제가 없는지 확인이 필요합니다.
◈ 열교환기, 제어기기 능력 작아진다
열교환기의 전열능력은 전열면적 A[m2], 열관류값 K[kJ/m2h℃], 가열물과 피가열물의 온도차 Δt[℃] 에서 결정됩니다. 증기압을 낮추면 가열물의 온도를 낮추게 되므로 열교환기의 전열 능력이 저하하게 됩니다.
또, 제어밸브 등의 기기선정은 1차측 압력, 2차측 압력, 필요 증기량에 의해 이루어지므로, 1차측 압력이 저하됨으로써 공급할 수 있는 능력이 저하됩니다. 현재, 능력에 여유가 있는지 등 사전에 확인이 필요합니다.
⑶ 증기 압력을 낮추면 얼마나 에너지 절약이 되는가?
실제로 계산을 해보도록 하겠습니다. 10℃의 물 10톤을 60℃까지 가열하는데 필요한 증기량을 0.3MPaG와 0.6MPaG로 비교합니다.
필요한 교환 열량은 물의 비열을 4.186 kJ/kgK로 하면 0.3MPaG의 증기 잠열은 2133kJ/kg, 0.6MPaG의 증기 잠열은 2065kJ/kg이므로 각각 필요한 증기량을 계산하면 다음과 같습니다.
⊙ 0.3MPaG의 경우: 981 kg
⊙ 0.6MPaG의 경우: 1,014 kg
따라서 0.3 MPaG 로 하는 것이 3.29 % 증기 소비량이 줄어들게 됩니다. 감압폭이 커지면 커질수록 효과도 크기 때문에 한번 조건을 바꾸어 계산해 보시길 바랍니다.
2. 정리
• 증기 압력을 낮추면 에너지 절약이 되는 이유는 잠열이 올라가기 때문.
• 유속이 올라가고, 전열 능력이 저하하는 등의 단점(디메리트)도 있다.
• 효과는 몇 % 정도이지만, 열을 모두 회수하고 있는 경우는 효과가 적다.
압력이 높은 쪽이 온도가 높고 열량도 크지만, 응축수로서 배출되는 열량도 커지기 때문에 그만큼의 에너지가 낭비된다는 것입니다.
하나의 개념으로서 참고해 주시면 좋겠습니다.
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