포화 증기, 습증기

뜨거운 동안에는 눈에 보이지 않고 손도 댈 수 없고 식게되면 작게 되어 뚝뚝 떨어지는 것을 상상해 본다면, 이것을 증기라고 말할 수 있을 것입니다. 증기는 압력과 온도가 높은 동안에는 공기와 같이 기체로 되어 있습니다. 그러나 열을 빼앗기면 압력이 줄어들고 체적도 아주 작게 되어 물방울이 됩니다. 실제 증기배관의 예에서 생각해 보면 보일러에서 만들어진 증기는 기체로 되어 배관으로 들어가 증키 코일이나 열교환기 등에 열을 빼앗겨 액체(이것을 환수 또는 드레인이라 부릅니다.)로 되며 또다시 보일러로 되돌아 갑니다. 이첨럼 증기는 모습을 바꾸어 흐르므로 기체일 때와 액체일 때(정확히 말하면 증기는 기체이기 때문에 액체은 증기는 존재하지 않지만)로 나누어 생각해 보겠습니다. 그럼 이 불가사이한 증기의 정체에 대해 조금 더 알아 보도록 하겠습니다. 보일러는 물을 넣는 용기와 주유나 가스를 연소시켜 불을 만드는 버너와 불의 열을 물에 흡수시키기 위한 전열면으로 구성되어 있습니다. 부엌에서 쓰고 있는 큰 솥이라 생각해도 되겠습니다. 물을 넣어 불을 붙이면 솥 속의 수온은 결국 100도씨가 됩니다. 이때 솥뚜껑을 벗기면 539kcal/h의 잠열을 흡수하여 물은 매시 1kg의 비율 증기로 변신합니다. 솥뚜껑을 벗기면 솥 속은 대기압과 같아서 1.033kg/cm2abs의 압력입니다. 여기서 솥에 뚜껑을 닫고 열을 가한다면 결국 내부의 압력이 높아져 뚜껑을 들어올리게 됩니다. 이 때의 압력이 2kg/cm2abs 이었다면 솥 속에서 정확히 120도씨의 증기가 나옵니다. 그러면 이번에는 매시 526kcal의 열을 흡수하고 1시간에 1kg의 비율로 증기를 발생하게 됩니다. 이처럼 증기는 압력을 늘리면 온도가 올라가 보다 적은 열량으로도 증기로 변화합니다. 이 증기는 100%의 증기이기 때문에 포화증기라 부릅니다. 포화증기는 압력에 따라서 그 온도는 바뀝니다. 예를 들면 2kg/cm2abs의 압력에서는 120도씨인 증기가 포화증기로 됩니다. 이 포화증기를 같은 압력 상태로 더욱 가열한 것을 과열증기라 부릅니다. 거꾸로 포화증기를 같은 압력으로 냉각하면 그 일부가 응축되어 작은 물방울로 되어 증기와 서로 섞인 상태로 되는데 이것을 습증기라 부릅니다. 이 습증기 중의 수분은 아주 작은 물방울이므로 실제로 눈으로 볼 수는 없습니다. 이것을 더욱 냉각하면 큰 물 덩어리로 되어 밑으로 떨어지는데 이것을 포화수라 부릅니다. 이 포화수는 보통 물과 같아서 압력이 2kg/cm2abs일 때 그 온도는 120도씨, 대기압에서는 100도씨 입니다. 2kg/cm2abs인 포화증기 1kg이 대기 중에 나오면 대기압력은 1.033kg/cm2abs이므로 감압됩니다. 대기압에서는 100도씨가 포화증기이기 때문에 120도씨의 증기는 과열증기가 됩니다. 그래서 공중에서 열을 방출하고 100도씨 까지 온도가 내려가 포화증기로 됩니다. 게다가 1kg당 539kcal/h의 열을 방출하고 100도씨의 포화수로 됩니다.

다음으로 120도씨인 솥 안의 탕이 대기 중에 튀어 나왔을 때를 생각하면 솥 안에서는 압력이 2kg/cm2abs 이었으므로 액체이었지만 대기 중에서는 100도씨 이상으로는 액체의 상태로 있을 수가 없기 때문에 정확히 120도씨-100도씨에 상당하는 열량만큼 순식간에 증기로 바뀝니다. 이것을 플래싱(Flashing)이라고 합니다. 이처럼 증기는 압력과 깊은 관계가 있으므로 반드시 압력이 얼마인 증기인가를 확실히 해두지 않으면 정확한 증기의 열량을 알 수 없습니다.