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스테파노 Stefano

24-10-01 21:39

A0) 우선 현열과 잠열을 구별해야 합니다.
* 현열은 어떤 물질의 온도를 올리거나 냉각하기 위해 필요로 열량을 말합니다. 온도를 올릴때 가열열량, 내릴때 냉각열량이 필요합니다. 이 때 그물질 일정량(1kg)의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량(kcal)을 그 물질의 "비열(Specific Heat)"이라고 하지요.
* 이에 반하여 온도변화없이 필요로 하는 열량이 있습니다. 예를들어 물의 온도를 높여가면 열량이 필요한데 끓는점에 이르러서는 온도변화없이 열량이 소요됩니다. 이와 같이 온도변화 없이 소요되거나 방출하는 열량을 "잠열(Latent Heat)"라고 하는데 이 잠열에는 증발(응축)잠열, 용융(응고)잠열, 결정형상변화 잠열, 등이 있고 물질변화 방향만 다르고 잠열의 절대값은 같습니다.
(예를들어 물의 증발잠열이 상압에서 539 kcal/kg 이라면 응축잠열은 -539 kcal/kg이 됩니다. 응축되면서 539 kcal/kg을 방출해야 한다는 뜻입니다.)

A1) 스팀을 가열매체로 사용할 경우 이용하는 열은 주로(대부분) 스팀의 잠열을 이용하여 온도를 올리는데 사용하는 것입니다.
이때 계산에 사용하는 원리는 "에너지 보존의 법칙"을 이용하는 것인데 그 의미는... <스팀이 내놓은 열은 물질을 가열하는데 사용한 열과 같다>입니다.

이 때 필요로하는 열량이 Q, kcal = M*C*(Δt)이라는 의미는 비열이 C(kcal/kg-℃)인 물질 M kg을 온도 Δt만큼 승온하는데 필요한 열량(kcal)이라는 뜻입니다. 질량이 M kg으로 고정이 된 값이 아니고 시간당 흐르는 양(kg/h)이라고 하면 열량 Q는 [kcal/h] 단위로 계산됩니다 .

이 열량은 <가열에 필요한 열량>이고 이를 <스팀으로 가열할 경우> 스팀이 (응축하면서)방출하는 열을 이용하여야 하므로

Q = M*C*(Δt) <= 이 열량(kcal/h)을 스팀으로 공급할 경우 스팀 증발잠열(λ, kcal/kg)을 그대로 이용해야 합니다. 따라서
Q = m * λ 이들 두식의 값이 같다고 해서 ==> Q= M * C * (Δt) = m * λ ..............(1)

스팀소요량 m은 위의 (1)식을 이용하여 계산하면 됩니다. m = M * C * (Δt) / λ ...............(2)

(저장탱크내 물질이 흐르지 않고 담아있는 양 M kg이리고 하면 스팀 소요량은 m kg이 되고, M값이 kg/h가 되면 m값도 kg/h
단위로 계산)

A2) 필요로 하는 스팀의 양을 계산하는 것은 A1)의 계산과 같이 "에너지 보존법칙"의 원리를 이용하는 것이지만 이열량을 전달시키는데 필요로 하는 전열면적을 계산하는 것과는 전혀 다른 계산입니다. 전자의 계산방법은 이미 앞선 글에서 설명되어 있지만 후자의 계산은 "열전달계수"와 "전열면적"을 다루는 "전달현상" 계산에 해당합니다.

(1)식에서 계산되는 열량을 전달하기 위해서는 유체간 접촉하여 U 라는 전열계수를 가져야 하고 유체간 온도차(LMTD)를 나타내고 있다면 A 만큼의 전열면적이 필요하게 됩니다. 유체의 경우 대류효과에 의해 열전달 계수가 결정되므로 U값을 계산하기 위해서는 고온측과 고온측 각각의 물성과 열교환계수영향이 고려되어야 합니다. 또한 유체간을 구획하고 있는 물체의 물성과 그 물질 표면에서의 이물질 누적상태에 따라 전열계수 U가 계산됩니다.

(LMTD)는 대수평균 온도차를 말하는데 전열장치의 시스템 형태에 따라 결정되는 온도차입니다. U값 계산과 LMTD 계산방법에 대해서는 열전달관련 서적에서 상세히 다루고 있기 때문에 이곳에서 다루기에는 자료가 너무 방대합니다. 간단한 수식으로는 아래의 수식으로부터 전열면적 A를 구하는 문제가 일반적입니다. 아래의 수식에서 Q 값의 단위는 계산 방법에 관계없이 모두 kcal/h의 단위를 가집니다. 어느 수식을 이용하더라도 차이없이 동일 Q값이 되어야 합니다.

Q (=C*M*(Δt) = m* λ ) = U * A * (LMTD) ................(3)

A3) 질문에서 <...잠열량과 현열량이 반대로 확인했는데..>라고 하였는데 어떤 의미인지 알수 없어 궁금합니다.
스팀의 경우 압력이 놀아지고 온도가 높아짐에 따라 잠열량은 줄어듦니다. 잠열크기를 반대로 생각하지 않았나 생각됩니다. ,스팀의 경우 현열은 잠열에비해 아주 작기 때문에 현열은 모두 무시하고 잠열만 계산하는 것이 일반적입니다.

A1) 스팀을 가열매체로 사용할 경우 이용하는 열은 주로(대부분) 스팀의 잠열을 이용하여 온도를 올리는데 사용하는 것입니다.
이때 계산에 사용하는 원리는 "에너지 보존의 법칙"을 이용하는 것인데 그 의미는... <스팀이 내놓은 열은 물질을 가열하는데 사용한 열과 같다>입니다.

이 때 필요로하는 열량이  Q, kcal = M*C*(Δt)이라는 의미는  비열이 C(kcal/kg-℃)인 물질 M kg을 온도 Δt만큼 승온하는데 필요한 열량(kcal)이라는 뜻입니다.   질량이 M kg으로 고정이 된 값이 아니고 시간당 흐르는 양(kg/h)이라고 하면 열량 Q는  [kcal/h] 단위로 계산됩니다 .
 
이 열량은 <가열에 필요한 열량>이고  이를 <스팀으로 가열할 경우> 스팀이 (응축하면서)방출하는 열을 이용하여야 하므로

Q = M*C*(Δt)     <= 이 열량(kcal/h)을 스팀으로 공급할 경우 스팀 증발잠열(λ, kcal/kg)을 그대로 이용해야 합니다.  따라서 
Q = m * λ           이들 두식의 값이 같다고 해서  ==>  Q= M * C * (Δt)  =  m * λ      ..............(1)

스팀소요량 m은 위의  (1)식을 이용하여 계산하면 됩니다.     m = M * C * (Δt) / λ      ...............(2)

(저장탱크내 물질이 흐르지 않고 담아있는 양 M kg이리고 하면 스팀 소요량은  m kg이 되고,  M값이 kg/h가 되면 m값도 kg/h
단위로 계산)

A2) 필요로 하는 스팀의 양을 계산하는 것은 A1)의 계산과 같이 "에너지 보존법칙"의 원리를 이용하는 것이지만  이열량을 전달시키는데 필요로 하는 전열면적을 계산하는 것과는 전혀 다른 계산입니다.   전자의 계산방법은 이미 앞선 글에서 설명되어 있지만 후자의 계산은  "열전달계수"와 "전열면적"을  다루는 "전달현상" 계산에 해당합니다.

(1)식에서 계산되는 열량을 전달하기 위해서는 유체간 접촉하여 U 라는 전열계수를 가져야 하고 유체간 온도차(LMTD)를 나타내고 있다면 A 만큼의 전열면적이 필요하게 됩니다.   유체의 경우 대류효과에 의해 열전달 계수가 결정되므로 U값을 계산하기 위해서는 고온측과 고온측 각각의 물성과 열교환계수영향이 고려되어야 합니다.  또한 유체간을 구획하고 있는 물체의 물성과 그 물질 표면에서의 이물질 누적상태에 따라 전열계수 U가 계산됩니다.

(LMTD)는 대수평균 온도차를 말하는데 전열장치의 시스템 형태에 따라 결정되는 온도차입니다.   U값 계산과 LMTD 계산방법에 대해서는 열전달관련 서적에서 상세히 다루고 있기 때문에 이곳에서 다루기에는 자료가 너무 방대합니다.   간단한 수식으로는 아래의 수식으로부터  전열면적 A를 구하는 문제가 일반적입니다.   아래의 수식에서 Q 값의 단위는 계산 방법에 관계없이 모두 kcal/h의 단위를 가집니다.  어느 수식을 이용하더라도 차이없이 동일 Q값이 되어야 합니다. 
 
Q (=C*M*(Δt) = m* λ ) =  U * A * (LMTD) ................(3)

A3)  질문에서 <...잠열량과 현열량이 반대로 확인했는데..>라고 하였는데 어떤 의미인지 알수 없어 궁금합니다. 
스팀의 경우 압력이 놀아지고 온도가 높아짐에 따라 잠열량은 줄어듦니다.    잠열크기를 반대로 생각하지 않았나 생각됩니다. ,스팀의 경우 현열은 잠열에비해 아주 작기 때문에 현열은 모두 무시하고 잠열만 계산하는 것이 일반적입니다.

daesannamj… haha0912

24-10-01 22:27

1. Q= M * C * (Δt) -> 가열에 필요한 열량
= m * λ -> <스팀으로 가열할 경우> 스팀이 (응축하면서)방출하는 열

스팀은 응축하고 그 방출하는 열로 유체를 가열하면... 응축잠열이 아닌지요?

2. 스팀의 압력이 높아질수록 잠열량은 왜 줄어드는지요?

스테파노 Stefano

24-10-02 00:39

AA1) 맞습니다. 스팀을 만들때 이미 연료를 사용하여 <증발잠열>을 공급해 주었고, 이 스팀을 가져다가 응축시키면서 방출하는 <응축잠열>을 이용하여 가열에 사용한 것입니다. 앞에서 510 kcal/kg(증발잠열)을 물에 공급해주고 수증기로 만들어 주었는데 이를 가열할때 510 kcal/kg(응축잠열)을 방출하면서 응축수가 되어 배출되었습니다

AA2) 좀 답하기 어려운 질문인데요. 모든 물질은 압력이 높아지면 높은 온도에서 증발하게 되는데 점점 압력과 온도가 높아지면 분자들간의 인력보다 서로 반발하여 튕겨지는 경향이 늘어나게되고 온도가 특정온도 이상에 도달하면 액상은 존재하지 않고 기상만 존재하게 됩니다. 이 온도를 임계온도(Critical Temperature)라고 하는데 이 온도에 가까워 질 수록 증발(응축)잠열이 줄어들고 이 임계점 이상에서는 액상이 존재하지 않으므로 증발(응축)잠열은 0에 도달합니다.

이러한 열역학적 성질에 의해 온도와 압력이 상승함 따라 증발잠열이 줄어듦니다. 이 현상은 모든 물질에게 동일하게 적용됩니다.