증 기 (steam) 의 기 초 사단법인 한국에너지관리인협회

Presentation on theme: "증 기 (steam) 의 기 초 사단법인 한국에너지관리인협회"— Presentation transcript:

1 증 기 (steam) 의 기 초 사단법인 한국에너지관리인협회

2 열(heat)의 기초 1. 현열(sensible heat)이란 ? 2. 잠열(latent heat)이란 ?
3. 승화현상/물질, 물체 4. 물의 상태변화/ 얼음 -> 물 ->물 -> 증기 눈으로 보이는 온도에 의한 열, 온도계로 계측이 가능한 열

3 물질의 상태변화 [ 고 체 ] 상 [ 액 체 ] [ 기 체 ]

4 강의 내용 1. 증기의 발생과 회수 2. 포화 증기 / 포화 증기의 성질 3. 과열 증기 / 과열 증기의 발생
과열 증기의 사용 4. 증기의 질 / 공기의 영향 습증기의 영향 5. 증기의 수송과 배관

5 증기 시스템 증기 난방시스템 증기의 분배 부하설비 증기의 사용 열교환기 증기의 발생 스팀트랩 보충수 응축수 급수 탱크
보일러 급수 펌프 탱크 보충수 응축수 증기 열교환기 난방시스템 증기의 분배 증기의 사용 스팀트랩 증기의 발생 증기의 발생 : 보일러 레벨 컨트롤 및 블로우다운, 화학약품 처리 등 적절한 수질관리를 통한 양질의 스팀을 생성 증기의 분배 : 증기를 각 사용처까지 어떻게 수송하고 분배하는 것이 최적의 방법인지? 수송과정에서 방열손실에 의해 생기는 응축수로 인해 스팀 질 저하 워터해머 발생 등의 문제가 생기는 데 이러한 문제는 어떻게 해결할 것인가? 증기의 사용 : 이렇게 분배된 스팀을 각 사용처에서 감압밸브과 온도콘트롤밸브를 통해 정확한 압력과 유량의 스팀을 사용하는 문제 응축수 회수 : 스팀트랩을 통해 응축수만 선별적으로 배출하는데 스팀트랩은 차압을 이용 원활한 응축배출이 중요 응축수 회수

6 1. 증기의 생성 대기압에서의 증기 생성 - 5 bar g의 증기 생성

7 대기압에서 증기의 생성 5 bar g의 먼저, 증기가 생성되는 과정에 대해 알아보도록 하겠습니다.
증발선 과열증기 건포화점 158 oC 658 160 포화수의 끓는점 100 oC 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 건도 온도 (℃) 잠열 : 498 불포화수 먼저, 증기가 생성되는 과정에 대해 알아보도록 하겠습니다. 대기압 상태에서 물을 가열하면 100도까지는 액체인 물 상태로 존재합니다. 그러나 100도가 되면 물이 끓기 시작합니다. 그리고 더 가열하면 물이 완벽하게 증기로 변환되어 물이 전혀 존재하지 않는 건포화증기가 됩니다. 여기에서 과열기 등을 통해 건포화증기를 더 가열하면 과열증기가 됩니다. 그런데 이 과열증기는 일반적인 공장에서는 거의 볼 수 있으며 일반적으로 석유화학, 정유공장 및 스팀 터빈을 사용하는 발전소 등에서만 볼 수 있습니다. 물이 상변화가 없이 단순히 물의 끓는점까지 온도의 변화만을 수반하여 받는 열량을 현열이라고 합니다. 그러나 물의 끓는점에서부터 온도의 변화는 없으면서 액체에서 증기의 상태로 상변화를 이루기 위해 얻는 열량을 잠열이라고 합니다. 잠열이란 사람이 느낄 수 없는 열이라고 할 수 있습니다. 그러나 이 그림에서 보는 바와 같이 증기가 가지고 있는 대부분의 열량은 바로 증기의 잠열이라는 것을 알 수 있으며 실제로 우리가 증기를 사용할때 이 증기가 가지고 있는 잠열 만을 사용합니다. 이 현열과 잠열의 합을 증기의 전열이라고 합니다. 포화증기의 경우에도 잠열을 얼마나 가지고 있냐에 따라 건도로서 구분됩니다. 즉, 건도가 낮은 포화증기는 그 속에 물이 많이 포함되어 있다는 것을 의미합니다. 0 oC 현열(100) 100 639 증발잠열(539) 엔탈피 (kcal/kg) 전열(639)

8 얼음에서 증기가 되는 과정

9 2. 포화 증기 포화 증기의 성질 - 최적의 증기 이송/사용

10 포화 증기표 498 What is steam? If we are to generate steam we must obviously heat the water to boiling point (100 튏 at Atmospheric pressure). The heat energy given to the water is known as the "specific enthalphy" (or liquid enthalphy) and referred to as "hf" and is measured in kJ/kg. To change the water to steam at 100 튏 we have to introduce more heat energy to it. This heat energy is known as the specific enthalpy of evaporation and is referred to as hfg. (kJ/kg). The total energy in the steam thus produced is the addition of hf + hfg and is referred to as total enthalpy (hg). ( kJ/kg). When the steam transfers its heat to whatever process it is applied, it is the enthalpy of evaporation which is transferred first and the steam thus condenses back into water at the same temperature. Steam at atmospheric pressure is of a limited practical use because of course it cannot be conveyed under its own pressure along a steam pipe to its point of use. Thus for practical applications it has to be generated in a "boiler" (steam generation plant) at a pressure which corresponds to the purpose for which it will be used. It has to be understood therefore that if water is kept at a pressure above atmospheric, its temperature must be raised above 100 튏 before boiling will take place. At 10 Bar (gauge) for example, boiling point is 튏 So it follows that more heat energy has to be put into the water to raise its temperature to boiling point at 10 bar g than would be needed to raise its temperature to 100 튏 (0 bar g) but it is also fact that the heat energy needed by the water at 10 bar g to change it into steam (Enthalpy of evaporation) is less. This is shown on the steam tables and shows that the usable heat energy in the steam (Enthalpy of evaporation) given up when the steam condenses, is a decreasing amount as the steam generation pressure increases.

11 포화증기의 온도/압력 Steam pressure/Volume relationship
50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 압력 (bar g) 온도 (℃) Steam pressure/Volume relationship The density r of a substance is mass (m) per unit volume (V) of the substance. The specific volume v, is the volume per unit mass and is therefore the inverse of density. Its units are m?kg or dm?kg where 10쿭m?kg = 1m?kg. Hence: Considering the molecular structure of liquids and vapours we would expect the density of steam to be much smaller than that of water because the steam molecules are more widely separated from one another, and at typical atmospheric conditions the densities of water and steam are respectively kg/m?and 0.6 kg/m? This enormous difference is appreciated if a kettle of water is left to boil, the resulting steam soon fills the entire room. As the steam pressure increases the density of the steam increases, and inversely the specific volume will of course decrease. If we refer to the steam tables and plot the specific volume against the steam pressure we will produce a curve as shown in the slide which highlights the fact of a sharp rise in specific volume as the pressure falls below 6 Bar g.

12 포화증기의 비용적/압력 Steam pressure/Volume relationship
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 압력 (bar g) 비용적 (㎥/kg) Steam pressure/Volume relationship The density r of a substance is mass (m) per unit volume (V) of the substance. The specific volume v, is the volume per unit mass and is therefore the inverse of density. Its units are m?kg or dm?kg where 10쿭m?kg = 1m?kg. Hence: Considering the molecular structure of liquids and vapours we would expect the density of steam to be much smaller than that of water because the steam molecules are more widely separated from one another, and at typical atmospheric conditions the densities of water and steam are respectively kg/m?and 0.6 kg/m? This enormous difference is appreciated if a kettle of water is left to boil, the resulting steam soon fills the entire room. As the steam pressure increases the density of the steam increases, and inversely the specific volume will of course decrease. If we refer to the steam tables and plot the specific volume against the steam pressure we will produce a curve as shown in the slide which highlights the fact of a sharp rise in specific volume as the pressure falls below 6 Bar g.

13 포화증기의 압력/열량 Steam pressure/Volume relationship
열량 (kJ/kg) 열량 (kcal/kg) 3000 715 증기의 전열 2500 597 2000 478 증발잠열 1500 358 1000 239 Steam pressure/Volume relationship The density r of a substance is mass (m) per unit volume (V) of the substance. The specific volume v, is the volume per unit mass and is therefore the inverse of density. Its units are m?kg or dm?kg where 10쿭m?kg = 1m?kg. Hence: Considering the molecular structure of liquids and vapours we would expect the density of steam to be much smaller than that of water because the steam molecules are more widely separated from one another, and at typical atmospheric conditions the densities of water and steam are respectively kg/m?and 0.6 kg/m? This enormous difference is appreciated if a kettle of water is left to boil, the resulting steam soon fills the entire room. As the steam pressure increases the density of the steam increases, and inversely the specific volume will of course decrease. If we refer to the steam tables and plot the specific volume against the steam pressure we will produce a curve as shown in the slide which highlights the fact of a sharp rise in specific volume as the pressure falls below 6 Bar g. 500 현열 119 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 압력 (bar g)

14 스팀 사용량 계산 예 현재 보일러의 운전 압력은 8 Kg/㎠g이며 스팀 발생량은 모든 조건에 충족 한 상태로 가정 한다.
이러한 조건에서 1) 시간 당 10℃의 냉수 8,000Kg을 80℃로 승온 시키고자 하며, 이때 사용 증기 압력은 2Kg/㎠로 하려고 한다. Steam as a carrier of heat for process work and space heating The commonly used fluids for process and/or space heating are: Water, either low, medium, or high temperature High temperature oil Steam

15 스팀 사용량 계산 예 시간 당 10℃의 냉수 8,000Kg을 80℃로 승온 시키므로 필요 열량은
8,000Kg/hr x 1 x ( ) ℃ x 1 = 560,000Kcal/hr 이때 사용 증기 압력이 2Kg/㎠로 이므로 잠열은 516.88Kcal/kg이 된다. 즉, 증기 사용량은 560,000Kcal/hr ÷ Kcal/kg = 1,083Kg/hr Steam as a carrier of heat for process work and space heating The commonly used fluids for process and/or space heating are: Water, either low, medium, or high temperature High temperature oil Steam

16 고압으로 증기를 이송하고 저압의 증기를 사용하는 것이 효율적이다.

17 3. 과열 증기 과열 증기란? - 과열 증기의 발생/응용 - 과열 증기의 열전달 - Desuperheater

18 과 열 증 기 과열증기의 발생 방법 포화증기 보다 더 뜨거운 증기
과 열 증 기 포화증기 보다 더 뜨거운 증기 대기압에서 포화증기가 110℃로 가열되면, 증기는 10℃ 만큼 과열 과열증기의 발생 방법 고온의 표면에 증기 노출 감압 Superheated Steam In section 1 we made reference to Superheated Steam. Now is the time to expand upon the subject and discuss its applications. We already know that steam which has its condition above the saturation curve is superheated. We know also that superheat can be given to the steam by exposing it to a surface having a higher temperature .... a heat exchanger (superheater) within the steam boiler plant using the heat in the combustion gases as the primary heating medium. Yet superheat can also be imparted to steam by allowing it to expand to a lower pressure when passing it through an orifice, or pressure reducing valve. That is provided that the steam is dry. It is a common misconception that the passage of steam through a pressure reducing valve causes the steam emerging from the reducing valve to be superheated. This will in fact be the case if the steam at the reducing valve inlet is 100% dry or if the moisture content of the steam is very low.

19 과열증기의 발생 수관식 보일러 포화증기 과열증기 과열관 화염

20 과열증기의 응용 스팀 터빈 장거리 스팀 수송 포화증기의 응축에 의한 물방울은 침식을 유발하여 터빈에 심각한 손상을 입힌다.
포화증기는 장거리 수송 중에 방열에 의해 응축됨. 습증기는 워터해머의 원인이 된다. 장거리 수송 시 스팀의 질을 향상시키고, 워터해머를 방지하기 위해서는 과열증기를 사용한다. 스팀 터빈 포화증기의 응축에 의한 물방울은 침식을 유발하여 터빈에 심각한 손상을 입힌다. 스팀터빈의 효율을 향상시키기 위해서 과열증기를 주로 사용한다.

21 과열증기의 열 전달 [ Q = U x A x T ] 포화증기 시점 U=50 W/m2℃ 과열 증기 U=1200 W/ m2℃
6 bar g 175 ℃ 0.290㎥/kg 6 bar g 165 ℃ 0.278㎥/kg 열교환기의 열전달량 U값은 xxx에 의해 결정되는데 과열증기의 여러가지 특성 상 U값은 포화증기의 1/24에 해당하는 50 88배 과열증기 1kg (175℃→165℃) 포화증기 1kg (165℃ 응축) 스팀트랩 Q = m x Cp x T = 1 kg x 0.56 kcal/kg℃ x 10 ℃ = 5.6 kcal Q = 포화증기의 잠열 = 493 kcal

22 과열증기가 열 전달에 부적합한 이유 포화증기 대비 낮은 열량 및 총괄전열계수 → 설비 효율 감소 작은 열손실에도 큰 온도 변화
→ 설비 열피로 증가 → 설비 수명 단축 열전달 중 급격한 온도 변화 → 피가열체의 균일한 온도 유지 어려움

23 Desuperheater 냉각수 과열증기 포화증기 과열증기와 냉각수를 혼합하여 포화증기 생성

24 4. 증기의 질 증기의 기본 요건 - 공기의 영향 - 습증기의 영향 - 청결

25 증기의 질(Quality) 증기 사용처에서의 증기의 기본요건 정확한 증기량의 공급 정확한 증기압력 및 온도의 유지
공기 및 비응축성 가스의 제거 건도가 높아야 한다. 청정해야 한다.

26 공기에 의한 장애 열전달율의 감소 예열시간의 지연 증기의 분압감소 냉점과 불균일한 온도 부식촉진 물배관에서 소음발생

27 열전도도 비교 매 체 열전도도 (W/m℃) 비 교 공 기 0.025 1 물 0.6 24 철 75 3,000 구 리 390
매 체 열전도도 (W/m℃) 비 교 공 기 0.025 1 물 0.6 24 철 75 3,000 구 리 390 15,600

28 달톤의 분압 법칙 기체혼합물의 전압 = 혼합된 각 가스분압의 합 혼합물의 압력 증기의 분압 공기의 분압 = +

29 달톤의 분압 법칙 절대압 = 대기압 + 계기압 = 1 + 1 = 2 bar a
120 ℃ 100% 증기 1 bar g 111.6 ℃ 25% 공기 75% 증기 1 bar g 절대압 = 대기압 + 계기압 = = 2 bar a 증기의 분압 = 2 x 0.75 = 1.5 bar a = 0.5 bar g

30 공기와 비응축성 가스 초기 가동 시 보일러 급수 보충수와 응축수 보일러 수처리 화학약품
80℃에서, 물은 0.6%(부피)의 공기를 녹일 수 있다. 보충수와 응축수 대기에 노출되었을 때 가스를 잘 흡수한다. 물이 보일러에서 가열되면 가스는 배출된다. 보일러 수처리 화학약품 b. Cont.--Sources of Air and Incondensibles Air is present within the steam supply pipes and within the equipment itself at start up. Even if the system were filled with pure steam the last time it was used, the steam would condense at shut down, and air would be drawn in by the resultant vacuum. Air can also enter the system in solution with the boiler feedwater. At 80 oC, water can dissolve about 0.6% of its volume of air. The solubility of oxygen is roughly twice that of nitrogen so the "air" which dissolves in water contains nearly one part oxygen to two of nitrogen rather than the one part to four parts contained by atmospheric air. Carbon dioxide has a greater solubility, roughly 30 times greater than oxygen. Make up feedwater and condensate exposed to the atmosphere can readily absorb these gases. When the water is heated in the boiler, the gases are released with the steam and carried into the distribution system. Unless make up water is fully de-mineralised and de-gassed, it will contain soluble sodium carbonate, perhaps with reacting calcium carbonate with sodium zeolite to avoid forming hard calcium scale inside the boiler. The sodium carbonate can dissociate to some extent in the boiler and carbon dioxide is released. With higher pressure boilers the feed water is often passed through a deaerator before it is pumped to the boiler, The best de aerators can reduce oxygen levels to cc per litre of water - a very small amount, and this residual oxygen can be dealt with by chemical treatment.

31 에어벤트의 설치 위치 에어벤트 증기공급 공기배출 증기공급 스팀트랩 스팀트랩 응축수 응축수

32 건도(Dryness fraction) 포화증기 중에 포함되어 있는 증기의 비율 X = 0 포화수