과열 증기

Superheated steam
과열 증기의 부피(v), 에너지(u), 엔탈피(h), 엔트로피(s) 대 온도(C)

과열 증기는 온도가 측정되는 절대 압력에서 기화 지점보다 높은 온도에서 증기를 말한다.

따라서 과열된 증기는 어느 정도 냉각될 수 있으며(내부 에너지 부족) 가스에서 포화 증기와 액체가 혼합된 상태로 변화하지 않고 온도를 낮출 수 있다. 불포화 증기(수증기와 액체 물방울을 모두 함유한 혼합물)를 일정한 압력으로 가열하면 증기 품질(생각건조 또는 포화 증기 비율)이 100%로 증가하여 건조(즉, 포화 액체가 없음) 포화 증기가 되면서 온도도 일정하게 유지된다. 그런 다음 지속적인 열 투입은 건조한 포화 증기를 "슈퍼" 가열한다. 포화 증기가 더 높은 온도의 표면에 접촉할 경우 이러한 현상이 발생할 것이다.

열역학적 평형 상태에서는 과열된 증기와 액체 상태의 물이 공존할 수 없다. 추가되는 열은 단순히 더 많은 물을 증발시키고 증기는 포화 증기가 되기 때문이다. 그러나 이러한 제한은 동적(비균형) 상황에서 일시적으로 위반될 수 있다. 발전소에서 과열 증기를 생산하기 위해 또는 (종이 건조 등) 보일러에서 끌어온 포화 증기는 접촉이나 방사선에 의해 증기에 추가 열을 전달하는 별도의 가열 장치(슈퍼히터)를 통과한다.

과열 증기는 살균에 적합하지 않다.[1] 과열된 증기가 건조하기 때문이다. 건조 증기는 동일한 효과 또는 동일한 F0 킬 값을 가지려면 훨씬 더 높은 온도에 도달해야 하며 장기간 노출되는 재료가 있어야 한다. 과열 증기는 가열에도 유용하지 않지만 에너지가 많고 포화증기보다 작업을 더 많이 할 수 있지만 열함량은 훨씬 덜 유용하다. 과열된 증기는 공기 열전달계수가 같아 절연체가 되기 때문이다. 즉 열 전도체가 불량하기 때문이다. 포화 증기는 벽면 열전달계수가 훨씬 높다.[2]

약간 과열된 증기는 단단한 표면의 생물필름의 항균 소독에 사용될 수 있다.[3]

과열 증기의 가장 큰 가치는 터빈 날개에 대한 기계적 팽창과 축의 회전 운동을 생성하는 왕복 피스톤을 통한 운동 반응에 사용될 수 있는 엄청난 내부 에너지에 있다. 이러한 용도에서 과열된 증기의 가치는 엄청난 양의 내부 에너지를 방출하면서도 수증기의 응축 온도 이상으로 유지되는 그것의 능력이다; 반응 터빈과 왕복 피스톤 엔진이 작동하는 압력에서.

이러한 용도에서 가장 중요한 것은 유입된 액체 방울을 함유한 수증기가 일반적으로 그러한 압력에서는 압축할 수 없다는 사실이다. 왕복 엔진이나 터빈에서, 만약 일을 하는 증기들이 액체 방울이 형성되는 온도까지 식으면, 유체 흐름 속에 들어간 물방울들은 그것들을 구부리거나, 갈라지거나, 부서질 수 있는 충분한 힘으로 기계 부품들을 칠 것이다.[4] 확장을 통한 과열 및 압력 감소는 증기 흐름이 터빈이나 엔진을 통과하는 내내 압축 가능한 기체로 유지되도록 하여 내부 이동 부품의 손상을 방지한다.

포화 증기

포화 증기는 같은 압력에서 가열된 물과 평형을 이루는 증기로, 즉, 압력을 위해 끓는점 이상으로 가열되지 않았다. 이는 과열된 증기로 증기가 물방울에서 분리되어 열이 더해진 것과 대조적이다.

이러한 응축 물방울은 증기 터빈 날개의 손상의 원인이 되는데,[5] 이러한 터빈들이 건조하고 과열된 증기의 공급에 의존하는 까닭이다.

건증기는 매우 약간 과열된 포화 증기다. 이는 에너지를 눈에 띄게 변화시키기에는 충분하지 않지만 증기 공급 회로 전체의 평균 온도 손실을 고려할 때 응축 문제를 피하기 위한 충분한 온도 상승이다. 과열이 아직 확실하지 않은 기술이었던 19세기 말 무렵, 그러한 증기 건조는 정교한 보일러나 완전 과열의 윤활 기술을 요구하지 않고 과열을 방지하는 결로 방지 혜택을 주었다.[6]

이와는 대조적으로, 물방울을 포함하는 수증기는 습식증기라고 묘사된다. 젖은 수증기를 더 가열하면 물방울이 증발하고, 충분한 온도(압력에 따라 달라짐)에서 모든 수분이 증발해, 시스템은 증기-액체 평형 상태에 있으며,[7] 포화 증기가 된다.

포화증기는 기화열이 높아 열전달에 유리하다. 그것은 매우 효율적인 열전달 방식이다. 비전문가의 관점에서 포화 증기는 해당 온도와 압력에서 이슬점에 있다. 기화(또는 응축)의 대표적인 잠열은 대기압에서 포화 증기의 경우 970 Btu/lb(2256.5 kJ/kg)이다.[8]

사용하다

증기기관

주요 기사: 고압증기기관차

과열 증기는 본선 증기 기관차에 널리 사용되었다. 포화 증기는 증기 엔진에서 세 가지 주요한 단점을 가지고 있다: 그것은 실린더에서 주기적으로 배출되어야 하는 작은 물방울을 포함하고 있다; 정확히 사용 중인 보일러 압력의 끓는점에 있다, 그것은 보일러 외부의 증기 파이프와 실린더에서 어느 정도 응축되어 분산을 야기한다.그렇게 함으로써 증기의 부피가 감소하고 보일러에 많은 수요를 발생시킨다.

증기를 과열시키면 효과적으로 건조되고, 응결 가능성이 훨씬 낮은 지점까지 온도가 상승하며, 부피가 크게 증가한다. 게다가 이러한 요소들은 기관차의 힘과 경제를 증가시킨다. 주요 단점은 슈퍼히터 튜브의 복잡성과 비용이 증가하며 "건조한" 증기가 증기 밸브와 같은 움직이는 구성 요소의 윤활에 미치는 역효과다. 션팅 기관차는 일반적으로 과열을 사용하지 않았다.

정상적인 배치는 조절기 밸브를 따라 증기를 흡입하고 보일러의 특별히 큰 화관 안에 있는 긴 과열기 튜브를 통과하는 것을 포함한다. 슈퍼히터 튜브는 소화기 끝에 역방향("토르페도")이 구부러져 있어 증기가 보일러 길이를 최소한 두 번 이상 통과해야 했고, 그렇게 되면 열이 올라간다.

처리.

과열 증기의 다른 잠재적 용도로는 건조, 청소, 레이어링, 반응 엔지니어링, 에폭시 건조 및 필름 사용(한 대기압 또는 고압에서 고온 가열 증기가 필요한 경우)이 있다. 증기 건조, 증기 산화 및 화학 처리에 이상적임. 표면 기술, 세척 기술, 증기 건조, 촉매, 화학 반응 처리, 표면 건조 기술, 경화 기술, 에너지 시스템 및 나노 기술에 사용된다.

건조식품가공공장 환경미화를 위한 과열증기 적용이 보고됐다.[9]

열전달 효율이 낮아 열교환기에는 일반적으로 과열 증기가 사용되지 않는다.[10] 정제 및 탄화수소 산업에서 과열 증기는 주로 박토 및 세척 목적으로 사용된다.

해충 방제

수증기는 1890년대 이후 토양 증기에 이용되어 왔다. 수증기는 토양으로 유도되어 거의 모든 유기물질이 악화된다(살균이라는 용어는 쓰이지만 모든 미생물이 반드시 죽는 것은 아니기 때문에 엄밀하게는 정확하지 않다). 토양 증기는 농업의 많은 화학 물질에 대한 효과적인 대안으로 온실 재배 농가에 의해 널리 사용된다. 습식 증기는 주로 이 과정에서 사용되지만, 물의 212 °F(100.0 °C) 비등점 이상의 토양 온도가 필요할 경우 과열 증기를 사용해야 한다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ 윌리엄 D. 와이즈, "증기살균 진행, 화학처리" 2005년 11월 27일. 2010-10-10 검색됨.
  2. ^ "Saturated vs Superheat Steam Conditions". nationwideboiler.com. Retrieved 5 December 2019.
  3. ^ Song, L.; Wu, J.; Xi, C. (2012). "Biofilms on environmental surfaces: Evaluation of the disinfection efficacy of a novel steam vapor system". American Journal of Infection Control. 40 (10): 926–930. doi:10.1016/j.ajic.2011.11.013. PMID 22418602.
  4. ^ 레이제로비치, A. S. 미국 펜웰 원자력 발전소용 Wet-Steam Turbines.[page needed]
  5. ^ Roy, G.J. (1975). Steam Turbines and Gearing. Kandy Marine Engineering Series. Stanford Maritime. pp. 36–37. ISBN 978-0-540-07338-2.
  6. ^ Hills, Richard L. (1989). Power From Steam. Cambridge University Press. p. 203. ISBN 978-0-521-45834-4.
  7. ^ Singh, R Paul (2001). Introduction to Food Engineering. Academic Press. ISBN 978-0-12-646384-2.[페이지 필요]
  8. ^ "Saturated Steam Calculator". Spirax Sarco. Retrieved 13 September 2017.
  9. ^ 박현우, 지슈, V. M. 발라수브라마니암, 아비가일 B. 스나이더 2021년 과열된 증기위생 처리 중 땅콩버터의 엔테로코커스페슘 불활성화에 대한 물 활동 및 온도의 영향 식량 통제. 제125권 제107942조
  10. ^ 슈퍼히터 스팀 : 스피락스 사코 국제 사이트. Spiraxsarco.com. 2012-01-25년에 검색됨
  11. ^ Arthur H. Senner (1 August 1934). "Application of Steam in the Sterilization of Soils". United States Department of Agriculture. Retrieved 5 December 2019.