증기로 직접 가열을 했을 경우의 필요 증기량 계산 방법에 대해서 정리합니다.
간접가열 관련 참고 사이트:
https://blog.naver.com/tjchung/222635312318 증기의 압력을 내리면 에너지 절약이 되는가?
1. 증기로 직접 가열할 경우, 필요 증기량 계산방법
먼저, 위의 그림과 같이 탱크에 물을 채우고, 직접 증기를 투입하여 가열하는 경우를 생각해 보겠습니다. 이때, 탱크에는 온도 센서를 설치하여, 제어 밸브를 통해 탱크 내의 온도를 조정합니다.
다음 조건으로 계산을 진행하겠습니다.
조건 : 10℃의 물, 10톤을 60℃ 로 가열하는데 0.3MPaG 증기는 얼마나 필요할까요?
직접증기를 투입해서 계산할 경우에는 간접가열과 같이 단순한 계산이 아니라, 열수지(熱収支) 개념으로 계산할 수 있습니다.
① 질량 관계식을 만든다
먼저, 질량 관계식을 만듭니다. 증기의 질량을 x [kg]로 하고, 60℃의 온수를 y [kg]라고 하면, y는 원래의 물에 증기분이 더해진 것이 되므로, 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.
y = x + 10000・・・①
② 열량의 관계식을 만들다
질량과 마찬가지로 열량에 관한 식을 만듭니다. 0.3 MPaG의 증기 전열은 2737 [kJ/kg], 물의 비열을 4.186 [kJ/kgK]이라고 하면 열량의 식은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
2737 × x + 10000 × 4.186 × 10 = y × 4.186 × 60・・・②
여기서 간접 가열과 크게 다른 점은, 계산에 전열(全熱)을 사용한다는 것입니다. 간접 가열과 달리, 모두 온수에 넣기 때문에 잠열이 아니라 온열을 사용합니다.
미지수는 x와 y의 2개로 식이 2개인 연립방정식이 가능하므로, 양쪽 모두를 구합니다. 이번 조건으로 계산하면 다음과 같은 답을 얻을 수 있습니다.
x = 842
y = 10842
따라서 증기가 842kg이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 증기 자체는 응축되어 탱크 내에서 온수가 되기 때문에, 그만큼 수량이 증가하게 됩니다. 탱크 안에 물을 넣어 보온을 하고 있기만 하는 경우는, 그만큼은 오버플로우 하게 됩니다.
2. 증기로 직접 가열하는 경우의 계산방법 ②
또 다른 방법으로 원하는 열량을 증기의 유효 열량으로 나누는 방법도 있습니다. 예를 들면, 이전의 조건에서 온수를 원하는 열량으로는 다음과 같습니다.
10000 × 4.186 × (60-10) = 2093000 [kJ]
0.3MPa의 증기 중 효과적으로 이용할 수 있는 열량은 60℃의 온수 이상의 열량만이므로 유효 열량은 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.
2737 - (4.186 × 60) = 2486 [kJ/kg]
따라서 필요한 증기량은
2093000 ÷ 2486 = 842 [kg]
라는 형태로 같은 답을 산출할 수 있습니다. 어느 쪽의 방식으로도 좋지만, 최초의 계산이 다양한 패턴으로 응용할 수 있기 때문에 생각할 수 있는 방법으로 추천합니다.
3. 간접가열로 가열을 한 경우
동일한 같은 조건으로 간접가열로 계산을 한 경우는 0.3MPaG의 잠열은 2133 kJ/kg이므로
10000 × 4.186 × (60−10) ÷ 2133 = 981 [kg]
로 되어, 직접 가열보다 16% 정도 필요한 증기량이 증가하게 됩니다. 비슷한 것 같으면서도 생각이 다르기 때문에 계산을 할 때 주의가 필요합니다.
4. 마무리
▶ 직접 가열 증기량은 두 가지 방법으로 계산할 수 있습니다.
▶ 간접 가열에 비해 사용하는 양은 적어진다.
▶ 생각이 다르므로 주의가 필요하다.
어느 쪽이 좋은지는 경우에 따라 다르겠지만, 열수지 개념은 여러 곳에서 사용할 수 있으므로 기억해 두면 편리할 것입니다.
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