(사)한국에너지기술인협회/이대철 교수
제2장 : 스팀의 사용
시작
스팀은 단위 중량당 가장 많은 열량을 가지고 있는 열매체이며, 압력이 일정한 상태에서 공정에 열을 전달할 때는 일정 온도에서 열을 전달하는 장점이 있다. 이러한 스팀의 고유한 성질은 스팀을 사용하는 공정이 안정적으로 이루어질 수 있도록 해준다. 제2장에서는 가상의 플랜트를 설정하고 스팀 사용량 계산과 스팀 배관 사이즈 선정 방법 등 스팀을 보다 효율적으로 사용하는 방법을 알아본다. 또한 스팀이 공급되는 각 공정 설비(스팀 유량계, 감압 시스템, 온도 조절 시스템, 열교환기)의 보다 효율적인 운전을 위한 이론적 설명과 함께 공정 설비 선정 방법을 설명한다.
10. 열교환기
10.1 열역학 법칙
열전달은 두 물체 사이에서 열에너지가 이동하는 것을 말한다. 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다. 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존된다. 두 물체의 온도가 같아지면, 더 이상 열이 이동하지 않는다. 이 상태를 평형이라 부른다. 열전달에 대한 설명에는 필히 열역학 법칙에 대한 설명이 필요하다. 즉, 모든 열교환기에서 이루어지는 현상은 열역학 법칙으로 설명이 가능하기 때문이다.
가) 열역학 0 법칙
열역학 0 법칙은 온도에 관한 법칙으로 계(system) A, B, C에 대해 A와 B가 열평형 상태에 있고 B와 C가 열평형 상태에 있으면 A와 C도 열평형 상태에 있다.
나) 열역학 1 법칙
에너지 보존 법칙이다. 어떤 고립된 계의 총 내부에너지는 일정하다는 법칙이다. 에너지는 형태가 변할 수 있을 뿐 새로 만들어지거나 없어질 수 없다. 우주의 에너지 총량은 시간이 시작된 때로부터 종말에 이르기까지 일정하게 고정되어 있다. 예컨대 일정량의 열을 일로 바꾸었을 때 그 열은 소멸된 것이 아니라 다른 장소로 이동하였거나 다른 형태의 에너지로 바뀌었을 뿐이다. 에너지는 새로 창조되거나 소멸될 수 없고 단지 한 형태로부터 다른 형태로 변환될 뿐이다.
다) 열역학 2 법칙
고립된 계에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 저온의 물체에 있는 열에너지가 고온의 물체로 이동해서 저온의 물체는 더 차가워지고 고온의 물체는 더 뜨거워져도 이때 이동하는 에너지의 양만 같다면 열역학 제1법칙, 즉 에너지의 보존 법칙에는 모순이 되지 않는다. 따라서 이러한 과정이 가능한 것으로 보이지만 실제로는 이러한 과정은 일어나지 않는다. 열역학 제1법칙은 에너지가 보존된다는 것을 의미할 뿐이며, 열(에너지)의 이동 방향에 대하여 아무런 제한을 가하지 않는다.
그러므로 자연계에는 에너지 보존 법칙과 다른 자연 현상의 비가역 진행 방향을 결정하는 어떤 법칙이 있다고 생각되며 이러한 방향성을 정해 주는 일반적인 표현을 열역학 제2법칙이라고 한다. 열역학 제2법칙은 다음과 같이 여러 가지로 표현되지만, 그 내용은 궁극적으로 같다.
중략...
월간 에너지관리 2024년 8월호 게재
(사)한국에너지기술인협회/이대철 교수
제2장 : 스팀의 사용
시작
스팀은 단위 중량당 가장 많은 열량을 가지고 있는 열매체이며, 압력이 일정한 상태에서 공정에 열을 전달할 때는 일정 온도에서 열을 전달하는 장점이 있다. 이러한 스팀의 고유한 성질은 스팀을 사용하는 공정이 안정적으로 이루어질 수 있도록 해준다. 제2장에서는 가상의 플랜트를 설정하고 스팀 사용량 계산과 스팀 배관 사이즈 선정 방법 등 스팀을 보다 효율적으로 사용하는 방법을 알아본다. 또한 스팀이 공급되는 각 공정 설비(스팀 유량계, 감압 시스템, 온도 조절 시스템, 열교환기)의 보다 효율적인 운전을 위한 이론적 설명과 함께 공정 설비 선정 방법을 설명한다.
10. 열교환기
10.1 열역학 법칙
열전달은 두 물체 사이에서 열에너지가 이동하는 것을 말한다. 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다. 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존된다. 두 물체의 온도가 같아지면, 더 이상 열이 이동하지 않는다. 이 상태를 평형이라 부른다. 열전달에 대한 설명에는 필히 열역학 법칙에 대한 설명이 필요하다. 즉, 모든 열교환기에서 이루어지는 현상은 열역학 법칙으로 설명이 가능하기 때문이다.
가) 열역학 0 법칙
열역학 0 법칙은 온도에 관한 법칙으로 계(system) A, B, C에 대해 A와 B가 열평형 상태에 있고 B와 C가 열평형 상태에 있으면 A와 C도 열평형 상태에 있다.
나) 열역학 1 법칙
에너지 보존 법칙이다. 어떤 고립된 계의 총 내부에너지는 일정하다는 법칙이다. 에너지는 형태가 변할 수 있을 뿐 새로 만들어지거나 없어질 수 없다. 우주의 에너지 총량은 시간이 시작된 때로부터 종말에 이르기까지 일정하게 고정되어 있다. 예컨대 일정량의 열을 일로 바꾸었을 때 그 열은 소멸된 것이 아니라 다른 장소로 이동하였거나 다른 형태의 에너지로 바뀌었을 뿐이다. 에너지는 새로 창조되거나 소멸될 수 없고 단지 한 형태로부터 다른 형태로 변환될 뿐이다.
다) 열역학 2 법칙
고립된 계에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 저온의 물체에 있는 열에너지가 고온의 물체로 이동해서 저온의 물체는 더 차가워지고 고온의 물체는 더 뜨거워져도 이때 이동하는 에너지의 양만 같다면 열역학 제1법칙, 즉 에너지의 보존 법칙에는 모순이 되지 않는다. 따라서 이러한 과정이 가능한 것으로 보이지만 실제로는 이러한 과정은 일어나지 않는다. 열역학 제1법칙은 에너지가 보존된다는 것을 의미할 뿐이며, 열(에너지)의 이동 방향에 대하여 아무런 제한을 가하지 않는다.
그러므로 자연계에는 에너지 보존 법칙과 다른 자연 현상의 비가역 진행 방향을 결정하는 어떤 법칙이 있다고 생각되며 이러한 방향성을 정해 주는 일반적인 표현을 열역학 제2법칙이라고 한다. 열역학 제2법칙은 다음과 같이 여러 가지로 표현되지만, 그 내용은 궁극적으로 같다.
중략...
월간 에너지관리 2024년 8월호 게재