에너지관리기능사 포화증기와 과열증기 — 건조도와 응축수량

포화 상태는 물과 증기가 함께 있을 수 있는 경계다. 포화온도에서 물만 있으면 포화수, 증기만 있으면 건포화증기, 둘이 섞여 있으면 습포화증기다. 액체가 모두 증발해 증기만 남고 온도가 포화온도에 머무는 상태가 건포화증기이며, 여기서 더 가열해 포화온도를 넘기면 과열증기가 된다.

건조도는 이 구분을 숫자로 나타낸다. 습증기 전체 질량 가운데 건포화증기의 질량이 차지하는 비율이 건조도 x다. x=0이면 증기가 없는 포화수, x=1이면 물방울이 없는 건포화증기, 0과 1 사이면 습포화증기다. 건조도가 높다는 것은 같은 습증기라도 증기의 비중이 크다는 뜻이므로 x=1이 가장 건조하다.

증기난방에서는 증기가 열을 내주고 응축수로 바뀐다. 시간당 응축수량은 방열기가 내놓은 열량을 증발잠열로 나누어 구한다. 상당 방열면적 20m²인 방열기는 1m²당 약 650 kcal/h의 열을 내므로 방열량은 20×650=13,000 kcal/h다. 105℃ 증기의 증발잠열이 535.6 kcal/kg이므로 13,000÷535.6≈24.27 kg/h가 된다. 방열량과 증발잠열의 단위를 맞추는 것이 계산의 핵심이다.

압력을 높일 때의 변화는 포화증기와 과열증기를 이해하는 기준이 된다. 압력이 높아지면 물이 더 높은 온도에서 끓으므로 포화온도와 현열은 커진다. 반면 물을 증기로 바꾸는 증발잠열은 작아지고, 임계압력에서는 0이 된다. 포화증기의 엔탈피는 현열의 증가분이 잠열의 감소분보다 커서 전체적으로 늘어난다. 높은 압력의 증기를 만들려면 연료 소비도 늘어난다. 그러므로 '압력이 높아지면 엔탈피가 줄어든다'거나 '증발잠열이 커진다'는 서술은 반대다.

임계점은 액체와 기체의 구별이 없어지는 지점이다. 물의 임계온도는 약 374.15℃, 임계압력은 약 225.65 kg/cm²이며, 이 상태에서는 포화수와 증기의 비중량이 같아지고 증발잠열이 0이 된다. 잠열이 0이므로 끓는 현상 없이 물이 직접 증기로 변한다. 대기압에서 100℃에 끓는 것은 비등점이고, 얼음·물·증기가 함께 존재하는 지점은 삼중점이라 임계점과 다르다.

과열증기는 포화증기를 더 가열한 상태다. 건포화증기를 압력을 일정하게 유지하며 가열하면 증기가 팽창해 비체적이 증가하고 과열도가 커진다. 과열도는 과열증기의 온도에서 같은 압력의 포화온도를 뺀 값이다. 다만 가열과 함께 압력도 높이면 팽창과 압축이 동시에 작용하므로 비체적이 감소한다고 단정할 수 없다.