증기 가열 공정 - 부하 계산(증기 유량 계산)

증기 가열 공정 - 부하 계산 (Steam Heating Processes - Load Calculating)

​비흐름(비유동) 뱃치(Batch) 및 연속 흐름 가열 공정에서 증기의 양을 계산합니다.

 

일반적으로 증기 가열은 다음과 같은 목적으로 사용됩니다.

 

▶제품 또는 유체 온도 변경

▶제품 또는 유체 온도 유지

 

증기의 이점은 많은 양의 열 에너지를 전달할 수 있다는 것입니다. 증기가 물로 응축될 때 방출되는 에너지는 2000 ~ 2250 kJ/kg 범위 (압력에 따라 다름)이며, 물은 80 ~ 120 kJ/kg (온도 차이 20 ~ 30 ℃) 입니다. 

 

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(℃)

 

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

 

▶단위 시간당 전달되는 열에너지의 양

비흐름(비유동)형 응용 분야에서는 고정 질량 또는 단일 배치(Batch) 제품이 가열됩니다. 

흐름 유형 적용에서 제품 또는 유체는 열 전달 표면 위로 지속적으로 흐를 때 가열됩니다.

 

비흐름(비유동) 또는 뱃치(Batch) 가열

 

비흐름형(비유동형) 응용 분야에서 공정 유체는 탱크 또는 용기 내에서 단일 뱃치(Batch)로 유지됩니다.

증기 코일 또는 증기 자켓(Jacket)은 유체를 낮은 온도에서 높은 온도로 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. ℃) - 일반적인 재료의 재료특성 및 열용량

dT = 유체의 온도 변화(℃)

t = 가열 공정(Process)이 일어나는 총 시간(초)

 

 

예(Example) - 증기를 직접 분사하여 물을 가열하는 데 필요한 시간

 

용량 200kW(kJ/s) 의 보일러에서 생성된 증기로 75kg 의 물 (cp = 4.2kJ/kg ℃)을 온도 20℃ 에서 75℃ 로 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)

 

메모! 

- 증기가 물에 직접 분사(주입)되면, 모든 증기는 물로 응축되고 증기의 모든 에너지는 즉시 전달됩니다.

 

열교환기를 통해 가열할 때 - 증기와 가열된 유체 사이의 열전달 계수와 온도 차이가 중요합니다. 

증기압을 높이면 온도가 올라가고, 열 전달이 증가합니다. 가열 시간은 감소합니다.

 

전체 증기 소비량은 실제 시스템 구성에 따라 더 높은 열 손실로 인해, 증가하거나 더 짧은 가열 시간으로 인해 감소할 수 있습니다. 

 

 

흐름 또는 연속 가열 공정

열교환기에서 제품 또는 유체 흐름은 지속적으로 가열됩니다.

 

열 표면의 온도가 증기 압력에 따라 달라지기 때문에 증기의 장점은 열 표면 온도가 균일하다는 것입니다.

 

평균 열 전달은 다음과 같이 표현할 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 알고 있으면, 증기의 양을 계산할 수 있습니다.

 

ms = P / h e (4)

 

ms = 증기의 질량(kg/s)

P = 계산된 열 전달(kW)

he = 증기의 증발 에너지(kJ/kg)

 

다른 증기 압력에서의 증발 에너지는 SI 단위가 있는 증기표 또는 영국식 단위가 있는 증기표에서 찾을 수 있습니다.

 

 

예(Example) - 증기를 이용한 일괄 가열

일정량의 물이 20분(1200초) 동안 35 ℃ 의 온도 에서 100 ℃ 까지 5 bar(6 bar abs) 의 증기로 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 

 

증기의 양 (Steam 량)

 

ms = (11.35 kW) ÷ (2085 kJ/kg)

= 0.0055 kg/s

= 19.6 kg/h

 

 

예(Example) - 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.

 

ms = (628.5 kW) ÷ (2030 kJ/kg)

= 0.31 kg/s(초)

= 1,115 kg/h

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​필요 증기량 계산--------⑴

수조의 1700ℓ 물을 초기온도 10℃→ 목표온도 90℃까지 증기를 사용해 온도를 올리려고 합니다.

10℃→90℃까지 승온시키는 데 까지 소요 시간은 60분(1시간) 만에 올리는 것으로 하는 조건입니다.

이때 필요한, 증기량을 구하면서, 구하는 식의 의미를 알아 보도록 하겠습니다.

사용 증기 게이지 압력은 0.5MPa·G(포화증기의 비엔탈 2748.989KJ/Kg=656.7Kcal/Kg)로 증기표에서 얻었습니다. 

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그래서 계산식으로 표시하면~, 아래 와 같은 식이 되어, 이로부터 증기량을 구하게 됩니다.

물량 1700ℓ × 10℃ + (증기가 주는 열량*증기량A → 656.7 × A ) = 90℃ × (물량 1700ℓ + 증기량 A) 일 것으로 표시됩니다. 여기서, A = 136,000 / 566.7 ≒ 240 Kg/h 을 얻었습니다.

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이 식의 의미는, 0℃를 기준으로 좌변=물의 열량+증기열량, 우변=90℃까지 상승에 필요한 열량입니다. 즉, 전 열량의 수지 계산이라 할 수 있습니다. 또한, 증기의 이용 가능 열량은 엔탈피의 변화량입니다.

물론, 이 계산은 정상 상태에서의 이야기이며, 열교환은 (A에 대해) 충분하다는 것을 전제로 될 것 입니다.

위 식은 간단한 수식이지만, 증기에 대해 기본 지식을 알수 있는 내용이라는 것입니다.

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필요 증기량 계산--------⑵

온수(급탕)탱크에서 1000kg의 물을 10℃에서 50℃로 올리기 위해서 게이지 압력 0.2MPa·G의 포화 증기는 몇kg 필요한가 하는 문제로 알아보겠습니다.

게이지압 0.2MPa의 포화증기 잠열은 2163 kJ/kg이므로 필요한 증기량을 A kg이라고 하면 포화증기에서 포화수로 바뀔 때 열량은 ;

2163 × A kJ

따라서 이 열량에 의해 1000kg의 물이 상승하는 온도는

10 ＋ 2163 × A ÷ 1000 ÷ 4.187 ℃

게이지압 0.2 MPa·G의 포화수는 133.7℃이므로 위 온도의 물 1000 Kg 과 133.7 ℃의 물 A kg이 섞여 50℃가 되므로

1000 ×（10 ＋ 2163 × A ÷ 1000 ÷ 4.187）＋ 133.7 × A ＝（1000 ＋ A）× 50

라고 나타나므로 계산을 하면 A ＝ 66.63 kg 이 됩니다

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필요 증기량 계산--------⑶

공조기 Steam Coil 증기 사용량을 산출해 보도록 하겠습니다.

공조기 Steam Coil 용량이 650,000 Kcal/hr 입니다. 공급되는 스팀 압력은 0.2 ㎫·G 입니다.

필요한 스팀 사용량이 얼마나 되는지 알아 보도록 하겠습니다.

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이런 경우, 스팀 사용량은 공급되는 스팀압력에 해당하는 잠열로 나누면 됩니다. 스팀이 공조기에서 잠열만을 사용하고 응축수로 변하자마자 배출되어야 하기 때문입니다.

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스팀 사용량 = 650,000 Kcal/hr / 516.88 Kcal/㎏ = 1,257.55 Kg/hr

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Steam 배관 유속은 스팀속도 25 m/s로 스팀배관 선정하면 됩니다. 그런데 응축수 배관은 다릅니다. 발생된 응축수의 일부(압력에 따라 5~15%)가 응축수배관에서 재증발되어 응축수(물)와 스팀(재증발증기)이 같이 이송됩니다. 응축수 배관에서 재증발증기가 차지하는 부피가 응축수보다 훨씬 크므로, 재증발증기가 15 m/s 정도로 이송되도록 배관선정해야 합니다.

 

응축수배관에서 속도가 너무 빠르면 소음을 동반한 배관의 침식 및 워터해머 가능이 높고, 재증발 증기 배출이 잘 안되어 응축수 배관에 압력이 심하게 칠수도 있습니다.

공조기는 냉수밸브가 같이, 그리고 먼저 열리는 구조기 때문에 코일 내 음압 생성으로 인한 파손이 잦습니다. 공조기의 경우, 후단 스팀트랩 설치뿐 아니라, 공조기 전단에 라인 스팀트랩 및 버큠브레이커 등을 꼭 추가로 설치해야 합니다. 참고하시길 바랍니다.

 

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