과열 증기
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1. 개요
과열 증기는 포화 증기를 추가로 가열하여 물방울을 제거하고 온도를 높인 증기를 의미하며, 증기 기관, 산업 공정, 토양 소독 등 다양한 분야에서 활용된다. 포화 증기는 특정 압력에서 물과 평형을 이루는 증기로, 증발 잠열이 높아 열 전달에 유리하지만, 습증기 상태에서는 응축으로 인한 문제점이 발생할 수 있다. 과열 증기는 증기 기관차의 효율을 높이는 데 기여했으며, 건조, 세척, 살균 등 산업 공정에도 사용된다. 토양 소독에는 습증기 또는 과열 증기가 사용되며, 농업에서 화학 물질을 대체하는 효과적인 방법으로 활용된다.
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| 과열 증기 | |
|---|---|
| 과열 증기 | |
| 설명 | 온도를 낮추어도 즉시 응축되지 않는 증기 |
2. 포화 증기
'''포화 증기'''는 동일한 압력에서 가열된 물과 평형을 이루는 증기로, 압력에 따른 끓는점 이상으로 가열되지 않은 상태의 증기를 말한다. 이는 증기(기체)가 물방울과 분리된 후 추가 열이 가해진 과열 증기와는 대조적이다.
응축 물방울은 증기 터빈 블레이드에 손상을 일으키는 원인이 되며,[5] 이러한 이유로 터빈은 건조하고 과열된 증기 공급에 의존한다.
'''건조 증기'''는 약간 과열된 포화 증기이다. 이는 에너지 변화를 크게 만들 만큼 충분하지는 않지만, 증기 공급 회로 전체에서 평균적인 온도 손실을 고려할 때 응축 문제를 피할 수 있을 만큼 충분한 온도 상승이다. 19세기 말에는 과열 기술이 아직 확실하지 않았기 때문에, 이러한 증기 건조는 완전 과열의 정교한 보일러나 윤활 기술 없이도 과열의 응축 방지 효과를 제공했다.[6]
반대로, 물방울을 포함하는 수증기는 '''습증기'''로 묘사된다. 습증기를 더 가열하면 물방울이 증발하고, 충분히 높은 온도(압력에 따라 다름)에서 모든 물이 증발하며, 시스템은 기액 평형 상태가 된다.[7]
2. 1. 포화 증기의 특징
포화 증기는 증발 잠열이 높아 열 전달에 유리하다. 이는 매우 효율적인 열 전달 방식이다. 쉽게 말해, 포화 증기는 해당 온도와 압력에서 이슬점에 있다. 대기압에서 포화 증기의 일반적인 증발(또는 응축) 잠열은 2256kJ/kg이다.[8]3. 과열 증기
포화 증기를 추가적으로 가열하여 물방울이 없는 건조한 상태로 만든 증기이다. 증기 기관차의 주 노선에서 널리 사용되었다. 일반적인 과열 증기 생성 방식은 조절 밸브 이후의 증기를 보일러 화실 튜브 내부의 긴 과열기 튜브를 통과시키는 것이었다. 과열기 튜브는 화실 끝에 역("어뢰") 굽힘이 있어서 증기가 보일러 길이를 따라 최소 두 번 통과하면서 열을 흡수하도록 했다.
과열 증기는 건조, 세척, 적층, 반응 공학, 에폭시 건조, 그리고 1기압 또는 고압에서 포화 증기를 필요로 하는 필름 사용 등에 활용될 수 있다. 증기 건조, 증기 산화 및 화학 처리에 이상적이다. 표면 기술, 세척 기술, 증기 건조, 촉매, 화학 반응 처리, 표면 건조 기술, 경화 기술, 에너지 시스템 및 나노 기술에도 사용된다. 건조 식품 가공 공장 환경의 위생 처리에 과열 증기를 적용한 사례가 보고되었다.[9]
과열 증기는 낮은 열 전달 계수로 인해 일반적으로 열교환기에는 사용되지 않는다.[10] 정유 및 탄화수소 산업에서 과열 증기는 주로 스트리핑 및 세척 목적으로 사용된다.
3. 1. 과열 증기의 장점
포화 증기는 증기 기관에서 다음과 같은 세 가지 주요 단점을 가진다. 첫째, 실린더에서 주기적으로 배출해야 하는 작은 물방울을 포함하고 있다. 둘째, 보일러에서 사용되는 압력에서 물의 끓는점에 정확히 위치하여, 보일러 외부의 증기 파이프와 실린더에서 불가피하게 응축되어 증기 부피가 불균형하게 손실된다. 셋째, 보일러에 과도한 부담을 준다.증기를 과열시키면 효과적으로 건조되고, 온도가 상승하여 응축 가능성이 훨씬 줄어들며, 부피가 상당히 증가한다. 이러한 요인들이 결합되어 증기 기관차의 출력과 경제성을 향상시킨다.[9]
3. 2. 과열 증기의 단점
포화 증기를 사용하는 증기 기관에는 세 가지 주요 단점이 있다. 첫째, 실린더에서 주기적으로 배출해야 하는 작은 물방울이 포함된다. 둘째, 보일러에서 사용되는 압력에서 물의 끓는점에 정확히 위치하여, 보일러 외부의 증기 파이프와 실린더에서 불가피하게 응축되어 증기 부피가 불균형하게 손실된다. 셋째, 보일러에 과도한 부담을 준다.증기를 과열시키면 이러한 단점들이 개선되지만, 과열기 튜브의 복잡성과 비용이 증가하고, "건조" 증기가 증기 밸브와 같은 움직이는 부품의 윤활에 부정적인 영향을 미친다는 단점이 있다. 선로 전환 기관차는 일반적으로 과열을 사용하지 않았다.
4. 증기의 활용
과열 증기는 다양한 분야에서 활용된다.
증기 기관에서 과열 증기는 증기 기관차의 주 노선에 널리 사용되었다. 과열 증기를 사용하면 기관차의 출력과 경제성을 향상시킬 수 있었다. 일반적인 구성은 조절 밸브 이후의 증기를 특별히 큰 보일러 화실 튜브 내부의 긴 과열기 튜브를 통과시키는 것이었다. 과열기 튜브는 화실 끝에 역("어뢰") 굽힘이 있어서 증기가 보일러 길이를 따라 최소 두 번 통과하면서 열을 흡수하도록 했다.
산업 공정에서 과열 증기는 건조, 세척, 적층, 반응 공학, 에폭시 건조 및 필름 제조 등에 사용될 수 있다. 증기 건조, 증기 산화 및 화학 처리에 이상적이다. 표면 기술, 세척 기술, 증기 건조, 촉매, 화학 반응 처리, 표면 건조 기술, 경화 기술, 에너지 시스템 및 나노 기술에도 사용된다. 건조 식품 가공 공장 환경의 위생 처리에 과열 증기를 적용한 사례가 보고되었다.[9] 과열 증기는 낮은 열 전달 계수로 인해 일반적으로 열교환기에는 사용되지 않는다.[10] 정유 및 탄화수소 산업에서 과열 증기는 주로 스트리핑 및 세척 목적으로 사용된다.
토양 증기 소독은 1890년대부터 사용되어 왔다. 증기를 토양에 주입하면 거의 모든 유기 물질이 분해된다. 토양 증기 소독은 농업에서 많은 화학 물질을 대체하는 효과적인 방법이며, 온실 재배자들이 널리 사용한다. 이 과정에서는 주로 습증기가 사용되지만, 물의 끓는점인 212°F 이상의 토양 온도가 필요하면 과열 증기를 사용해야 한다.[11]
4. 1. 증기 기관
증기 기관차의 주 노선에서 과열 증기는 널리 사용되었다. 포화 증기는 증기 기관에서 다음과 같은 세 가지 주요 단점을 가진다.- 실린더에서 주기적으로 배출해야 하는 작은 물방울을 포함하고 있다.
- 보일러에서 사용되는 압력에서 물의 끓는점에 정확히 위치하여, 보일러 외부의 증기 파이프와 실린더에서 불가피하게 응축되어 증기 부피가 불균형하게 손실된다.
- 보일러에 과도한 부담을 준다.
증기를 과열시키면 효과적으로 건조되고, 온도가 상승하여 응축 가능성이 훨씬 줄어들며, 부피가 상당히 증가한다. 이러한 요인들이 결합되어 기관차의 출력과 경제성을 향상시킨다. 주요 단점은 과열기 튜브의 복잡성과 비용이 증가하고, "건조" 증기가 증기 밸브와 같은 움직이는 부품의 윤활에 부정적인 영향을 미친다는 것이다. 선로 전환 기관차는 일반적으로 과열을 사용하지 않았다.
일반적인 구성은 조절 밸브 이후의 증기를 특별히 큰 보일러 화실 튜브 내부의 긴 과열기 튜브를 통과시키는 것이었다. 과열기 튜브는 화실 끝에 역("어뢰") 굽힘이 있어서 증기가 보일러 길이를 따라 최소 두 번 통과하면서 열을 흡수하도록 했다.
4. 2. 산업 공정
과열 증기는 건조, 세척, 적층, 반응 공학, 에폭시 건조 및 필름 제조 등에 사용될 수 있다. 증기 건조, 증기 산화 및 화학 처리에 이상적이다. 표면 기술, 세척 기술, 증기 건조, 촉매, 화학 반응 처리, 표면 건조 기술, 경화 기술, 에너지 시스템 및 나노 기술에도 사용된다.건조 식품 가공 공장 환경의 위생 처리에 과열 증기를 적용한 사례가 보고되었다.[9]
과열 증기는 낮은 열 전달 계수로 인해 일반적으로 열교환기에는 사용되지 않는다.[10] 정유 및 탄화수소 산업에서 과열 증기는 주로 스트리핑 및 세척 목적으로 사용된다.
4. 3. 토양 소독
토양 증기 소독은 1890년대부터 사용되어 왔다. 증기를 토양에 주입하면 거의 모든 유기 물질이 분해된다. ("살균"이라는 용어가 사용되지만, 모든 미생물이 반드시 죽는 것은 아니므로 엄밀히 말하면 정확하지 않다.) 토양 증기 소독은 농업에서 많은 화학 물질을 대체하는 효과적인 방법이며, 온실 재배자들이 널리 사용한다. 이 과정에서는 주로 습증기가 사용되지만, 물의 끓는점인 212°F 이상의 토양 온도가 필요하면 과열 증기를 사용해야 한다.[11]참조
[1]
웹사이트
Succeed at steam sterilization
http://www.chemicalp[...]
2005-11-27
[2]
웹사이트
Saturated vs Superheat Steam Conditions
https://www.nationwi[...]
2019-12-05
[3]
논문
Biofilms on environmental surfaces: Evaluation of the disinfection efficacy of a novel steam vapor system
[4]
서적
Wet-Steam Turbines for Nuclear Power Plants
PennWell
[5]
서적
Steam Turbines and Gearing
Stanford Maritime
[6]
서적
Power From Steam
Cambridge University Press
[7]
서적
Introduction to Food Engineering
Academic Press
[8]
웹사이트
Saturated Steam Calculator
http://www2.spiraxsa[...]
2017-09-13
[9]
논문
The effect of water activity and temperature on the inactivation of Enterococcus faecium in peanut butter during superheated steam sanitation treatment
[10]
웹사이트
Superheated Steam
http://www.spiraxsar[...]
[11]
웹사이트
Application of Steam in the Sterilization of Soils
https://naldc.nal.us[...]
1934-08-01
[12]
백과사전
過熱蒸気
[13]
웹사이트
過熱蒸気について
https://www.tokuden-[...]
トクデン
[14]
웹사이트
過熱水蒸気加熱
https://miraiz.chude[...]
中部電力ミライズ
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