Steam 압력별 온도

산업현장에서 에너지 열원으로 대부분  Steam을 사용하고 있고, 그때의 Steam은 에너지 효율적 차원에서 포화증기(Saturated Steam)가 사용된다.

또한 사용처에서 필요한 온도에 도달하기 위해서 Steam의 압력을 변화시켜 조정하는데 이에 대해 공유하고자 한다.

 

 

Steam 압력별 온도

스팀의 물리적 성질

온도가 증가하고 물이 비등 조건에 가까워지면서 분자들은 순간적으로 액체를 탈출하여 표면 위의 공간으로 진출할 수 있는 속도를 얻기에 충분한 운동 에너지를 확보하게 된다. 추가적으로 공급되는 열은 액체를 떠날 수 있는 충분한 에너지를 가진 분자의 수를 증가시킨다.

 

물이 그 비등점까지 가열되면서 스팀의 거품은 자체적으로 형성되어 표면을 뚫고 나가기 위해 상승하게 된다. 액체와 기체의 분자 구조를 감안할 때, 논리적으로는 스팀의 밀도가 물의 밀도에 비해 훨씬 적으며, 이는 스팀 분자간 거리가 더 멀기 때문이다. 물 표면 위의 공간은 곧 밀도가 낮은 스팀 분자들로 채워지게 된다. 액체표면을 떠나는 분자의 수가 재 진입하는 분자의 수보다 많아지게 되는 경우 물은 자유롭게 증발하게 된다.

 

이 시점에서 결국 열에너지에 의해 포화 상태가 되면서 비등점 혹은 포화 온도에 도달하게 된다. 만일 압력이 일정하게 유지될 경우, 추가적인 열의 공급은 온도를 상승시키지는 못하지만, 대신 물이 포화스팀으로 변하게 한다. 동일한 시스템 내에서 끓는 물과 포화증기의 온도는 동일하다. 그러나 단위 질량 당 열에너지는 스팀이 훨씬 크다.

 

 

Steam 압력별 온도

대기압에서 포화 온도는 100°C이다. 그러나 만일 압력이 증가할 경우, 더욱 많은 양의 열 공급을 허용하게 되어 상태의 변화 없이 온도를 상승시키게 된다. 따라서 압력을 효과적으로 증가시킬 경우, 이는 물의 엔탈피 그리고 포화 온도를 함께 상승시키게 된다.

포화 온도와 압력간의 관계는 포화증기 곡선에 제시되어 있다. (그림 3 참조)

 

 

<그림 1> 포화증기 곡선

 

 

다음 표는 포화증기 압력별 온도를 나타낸다.

 

<표 1> Pressure-Temperature Table for Saturated Water/Steam

Gauge Pressure (bar g)	Temperature (°C)
0	100
0.5	111.61
1	120.42
1.5	127.62
2	133.69
3	143.75
4	151.96
5	158.92
6	165.04
7	170.5
8	175.43
9	179.97
10	184.13
11	188.02
12	191.68
13	195.1
14	198.35
15	201.45

 

 

과열증기 vs. 포화증기

 

보일러에서 생성된 포화증기가 더 높은 온도의 표면에 노출될 경우, 그 온도는 증발 온도 이상으로 상승하게 된다. 스팀은 이때 초과되는 온도 수치만큼 과열되었다고 하며, 이를 과열증기(Superheated Steam)라 부른다.

 

과열증기는 종종 세계 도처의 많은 스팀 설비에서 공정 가열을 위해 사용되고 있으며, 이는 특히 오일 및 석유 화학제품을 생산하는 HPI(탄화수소공정 산업)에서 두드러진 추세이다. 이는 가열 목적으로서 포화증기보다 더 낫다기 보다는 오히려 과열증기가 터빈용으로 선호되고 있는 에너지원으로서, 발전용 현장에서 이미 보편화되어 있기 때문으로 보인다.

 

그러나 대부분의 경우 열 전달 공정에서는 일부러 과열증기의 과열도를 저감(Desuperheat)시켜서라도 반드시 포화증기를 사용해야 한다. HPI 업계에서는 종종 스팀을 10° C 이내의 한도까지 과열도를 저감시켜준다. 이러한 경미한 정도의 과열은 가열 표면의 초반부에서 바로 제거된다. 그 이상의 과열은 취급하기가 더욱 어렵고 종종 비경제적이며, 따라서 가열 목적으로서는 이를 피하고 있는 실정이다.

 

과열증기가 포화증기만큼 공정 가열에 적합하지는 못하다는 것에는 꽤 많은 이유가 있다.

과열증기는 응축되면서 잠열(스팀 엔탈피)을 제공하기 전에 일단 포화온도까지 냉각되지 않으면 안된다. 이 경우 과열증기가 포화온도까지 냉각되면서 제공하는 열의 양은 증발 엔탈피에 비하여 상대적으로 적다. 만일 스팀이 경미한 정도의 과열도만을 가지고 있다면, 이러한 소량의 열은 응축되기도 전에 순식간에 빼앗기게 된다. 그러나 만일 스팀이 높은 과열도를 유지하고 있다면 이는 상대적으로 장기간 동안 냉각 기간을 갖게 되며, 따라서 그 동안 스팀은 매우 적은 양의 에너지를 방출하게 될 것이다.

 

포화증기와 달리 과열증기의 온도는 일정하지 않다. 이것은 과열증기에서는 열 전달 표면 위에서 온도 변화가 발생함을 의미한다. 열교환기에 있어서는 과열증기를 사용할 경우 튜브 시트 근처에 건벽 비등 구간을 형성시킬 수 있다. 이러한 건벽 면적은 이내 스케일을 형성하거나 혹은 막히게 됨으로써 튜브를 못쓰게 만들 수 있다. 이것은 열 전달 사용처에 있어서 높은 과열도를 가진 스팀은 유용하지 않음을 명확하게 나타내는 것으로서 다음과 같은 단점을 들 수 있다.

● 포화온도로 냉각될 때까지 열을 거의 방출하지 않는다.

● 포화온도로 냉각되면서 열 전달 표면 위에서 온도 변화를 생성한다.

● 스팀은 과열되어 있는 반면, 열 전달율은 저조하다.

● 비교적 넓은 열 전달 면적을 필요로 한다.

 

Reference : : 한국스파이렉스사코㈜ Steam People Sep. 2020