스팀 소비량 계산 방법/증기 소비량 계산 방법 (How to Calculate Steam Consumption)

스팀 소비량 계산 방법/증기 소비량 계산 방법 (How to Calculate Steam Consumption) 

 

증기(Steam)는 단위 중량 당 가장 많은 열량을 가지고 있는 열매체이며, 압력이 일정한 상태에서 공정(Process)에 열을 전달 할 때는, 일정 온도에서 열을 전달하는 장점이 있습니다. 이러한 증기의 고유한 성질이 증기를 사용하는 공정에서, 공정이 안정적으로 이루어 질 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

아래 그림과 같은 곳의 플랜트를 선정해, 증기 사용량 계산, 증기 배관 사이즈 선정 방법 등 증기를 효율적으로 사용하는 방법과 증기가 공급되는 각 공정 설비의 (증기 유량계, 감압 시스템, 온도 조절 시스템, 열교환기) 보다 효율적인 운전을 위한, 이론적 설명 과 공정 설비 선정 방법을 정리해 보겠습니다.

  

 1. 증기난방 공기 (Steam Heating Air)/Air Heater(공기 가열기) 증기사용량 계산

     증기 가열 공기 시스템을 계산합니다. (Calculate steam heated air systems.)

 

  증기는 공기를 가열하는 데 사용됩니다. 

  공기 가열 장비의 증기 응축률은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

    ms = q dt cp ρ / he                                (1)

 

    Q (증기 사용량) = [Air 공급량 x Air 온도차 x Air 의 비열] ÷ 사용 증기의 잠열

 

   ms = 응축 속도, 증기 소비량 (kg/s)

   q  = 체적 공기 유량 (㎥/s)

   dt = 기류의 온도차 (℃)

   cp = 공기의 비열 (kJ/kg·℃)

   ρ  = 공기 밀도 (kg/㎥)

   he = 증발(응축) 증기의 비엔탈피 (kJ/kg)

 

열풍건조기(Air Heater) 응축수발생량(G) 계산식

 

 

예제 - 증기로 공기 가열

     1 ㎥/s 의 공기는 대기압에서 응축되는 증기와 함께 10 ℃ 에서 30 ℃ 로 가열됩니다.

     증기 소비량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

     ms = (1 ㎥/s ) {( 30 ℃) - (10 ℃)} (1.0 kJ/kg·℃) (1.204 ㎏/㎥)/(2257 kJ/㎏)

           = 0.011 ㎏/s

 

증기를 사용하는 부하 설비에 공급되는 증기의 압력을 결정하기 위해서는, 부하 설비의 온도가 매우 중요합니다. 

증기는 압력에 따라 온도가 결정되므로, 부하 설비의 운전 온도보다 통상적으로 50℃(경험상 온도) 이상 높은 온도를 갖는 증기 압력을 결정하면, 큰 무리 없이 증기 압력을 결정 할 수 있습니다.

증기 압력을 결정짓는 중요한 변수는 부하 설비의 요구온도 와 회수가능한 압력 을 고려하여 결정되어야 한다는 것입니다.

 

 

2. 온수 탱크 증기 사용량 계산

증기 가열 프로세스 - 부하 계산

   비유동 배치 및 연속 흐름 가열 공정에서 증기의 양을 계산합니다.

 

   일반적으로 증기 가열은 다음 목적을 위해 사용됩니다.

 

▶제품 또는 유체 온도 변경

▶제품 또는 유체 온도 유지

 

증기의 이점은 전달할 수 있는 열 에너지의 양이 많다는 것입니다. 증기가 물로 응축될 때 방출되는 에너지는 2000 ~ 2250 kJ/kg 범위 (압력에 따라 다름) 80 ~ 120 kJ/kg 의 물 (온도 차이 20 ~ 30 ℃)과 비교됩니다.

 

제품 온도 변경 - 스팀으로 제품 가열

물질의 온도를 높이는 데 필요한 열량은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

Q = m cp dT                                        (1)

 

Q = 에너지 또는 열량(kJ)

m = 물질의 질량(kg)

cp = 물질의 비열(kJ/kg·℃) - 재료 특성 및 열용량 일반 재료

dT = 물질의 온도 상승(℃)

 

임페리얼 유닛? - 단위 변환 을 확인하십시오!

 

이 방정식은 전체 공정에 대한 총 열에너지 양 을 결정하는 데 사용할 수 있지만, 열 전달 속도는 고려하지 않습니다.

 

▶단위 시간당 전달되는 열에너지의 양

 

비유동 유형 응용 프로그램에서는 고정된 질량 또는 단일 제품 배치(single batch) 를 가열합니다. 흐름 유형 응용에서 제품 또는 유체는 열 전달 표면 위로 지속적으로 흐를 때 가열됩니다.

 

 

비유동 또는 배치 가열 (Batch Heating)

 

비유동 유형 응용 프로그램에서 공정 유체는 탱크 또는 용기 내에서 단일 배치(Batch)로 유지됩니다. 증기 코일 또는 증기 재킷은 낮은 온도에서 높은 온도로 유체를 가열합니다.

 

이러한 응용 분야의 평균 열 전달 속도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

P = m cp dT / t                                        (2)

 

P = 평균 열 전달 속도 또는 전력(kW(kJ/s)) 

m = 제품의 질량(kg) 

cp = 제품의 비열(kJ/kg·℃) -  재료 특성 및 열용량 일반 재료 

dT = 유체의 온도 변화(℃) 

t = 가열 과정이 일어나는 총 시간(초)

 

 

 

예제 - 증기를 직접 분사하여 물을 가열하는 데 필요한 시간

 

용량 200kW(kJ/s) 의 보일러에서 생산된 증기로 온도 20℃ 에서 75℃ 까지, 75kg의 물 (cp = 4.2kJ/kg ℃)을 가열하는 데 필요한 시간은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.

 

t = m cp dT/P

 

 = (75 kg) (4.2 kJ/kg·℃) {(75 ℃) - (20 ℃)}/(200 kJ/s)

 

 = 86 s (초)

참고 !!

-증기가 물에 직접 주입되면 모든 증기는 물로 응축되고 증기의 모든 에너지는 즉시 전달됩니다.

 

열교환기를 통해 가열하는 경우 - 증기와 가열된 유체 사이의 열전달 계수와 온도 차이가 중요합니다. 증기압력이 증가하면 온도가 상승하고 열 전달이 증가합니다. 가열 시간이 단축됩니다.

 

실제 시스템의 구성에 따라 가열 시간 단축으로 인해 전체 증기 소비량이 증가하거나 감소할 수 있습니다. 

 

【증기 직접분사 방식의 가열 시스템에서의 온수탱크 증기 사용량 계산 방법】

 Q = [냉수 공급량 x 물의 온도차 x 물의 비열] ÷ [사용 증기의 전열 - 온수 온도]

 

이 경우, 온수 탱크의 온수 총량은 공급된 증기량까지 포함한 것(kg/h)이 됩니다. 만약 원하는 온수의 량이 정확하게 시간 당 산출된 량(kg)이라면 증기 사용량 계산은 다르게 해야 합니다.

 

증기를 직접 분사하여 온수를 만드는 공정에서는 냉수를 가열하기 위한 별도의 열 교환기가 없습니다. 이런 경우 증기가 갖고 있는 열량 중에 전열을 사용해야 되며, 중요한 것은 증기가 온수 탱크로 유입이 되어서 같은 온수가 되므로, 증기가 갖고 있는 전열을 전부 사용하게 되면, 증기의 온도가 0℃가 됩니다. 모순이 되겠지요~, 즉 유입되는 증기의 최종 온도는 온수와 같은 온도가 되어야 하므로, 증기의 전열에서 온수 온도를 뺀 나머지 열량이 냉수를 온수로 만드는 열량으로 사용됩니다. 이러한 직접 분사 방법은 제품의 농도가 중요한 공정 일 경우는, 증기가 직접 제품에 닿기 때문에 농도 변화가 생길 수 있으므로 피하는 것이 좋습니다.

 

 

흐름 또는 연속 가열 공정

 

열교환기에서 제품 또는 유체 흐름은 지속적으로 가열됩니다.

 

증기 표면의 온도는 증기 압력에 따라 달라지기 때문에, 증기의 장점은 균일한 열 표면의 온도입니다.

 

평균 열 전달은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

 

P = cp dT m/t                                    (3)

  

P = 평균 열전달율(kW(kJ/s))

m / t = 제품의 질량 유량(kg/s) 

cp = 제품의 비열(kJ/kg·℃) 

dT = 유체 온도의 변화(℃)

 

 

증기량 계산

열 전달 속도를 알면 증기의 양을 계산할 수 있습니다.

 

ms = P / h e                                        (4)

 

m s = 증기의 질량(kg/s) 

P = 계산된 열 전달(kW) 

h e = 증기의 증발 에너지(kJ/kg)

 

서로 다른 증기 압력에서의 증발 에너지는 SI 단위 의 증기표 또는 영국식 단위 의 증기표에서 확인할 수 있습니다.

 

예제 - 증기를 이용한 배치 가열(Batch Heating)

20분(1200초) 동안 35 ℃ 의 온도 에서 100 ℃ 까지 5 bar(6 bar abs) 의 증기로 일정량의 물을 가열 합니다. 물의 질량은 50kg 이고 물의 비열은 4.19kJ/kg·℃입니다.

 

열전달율:

 

P = (50kg) (4.19kJ/kg·℃) {( 100 ℃) - ( 35 ℃)}/(1200 s)

 

    = 11.35 kW

 

증기 량:

 

m·s = (11.35 kW)/(2085 kJ/kg)

 

    = 0.0055 kg/s

 

    = 19.6 kg/h

 

 

예제 - 증기에 의한 연속 가열

3 l/s 의 일정한 속도로 흐르는 물 은 8 bar(9 bar abs) 의 증기로 10 ℃에서 60 ℃ 로 가열됩니다. 열 유량은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

 

P = (4.19 kJ/kg·℃) {(60 ℃) - (10 ℃)} (3 l/s) (1 kg/l)

 

    = 628.5 kW

 

증기 유량은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

m·s = (628.5 kW)/(2030 kJ/kg)

 

    = 0.31 kg/s

 

    = 1115 kg/h

 

 

 

질문은 받지 않습니다.  ~   

 

O-TRAP 상담 & 문의는 ;

E-mail:  tjchung@naver.com,  

Tel: 070-7747-8290,  

URL: http://k.o-trap.cn