환산증발량

왜 배우는가: 보일러 용량과 효율은 압력과 운전 조건이 제각각이라 같은 기준으로 비교하기 어렵다. 환산증발량은 이 차이를 하나의 기준으로 맞추는 값이어서 용어 문제와 설비 용량 계산 문제에 함께 나온다. 상당방열면적과 묶어 이해하면 두 문항을 모두 풀 수 있다.

출제 이력: 제122회 1교시 4번, 제98회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

환산증발량은 실제 증발량을 발생 증기와 급수의 엔탈피 차로 환산해 100℃ 포화수를 같은 양의 증기로 바꾸는 기준의 증발량으로 나타낸 값이다

핵심 키워드

• 환산증발량
• 실제증발량
• 발생증기 엔탈피
• 급수 엔탈피
• 증발잠열
• 상당방열면적(EDR)
• 정격출력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 보일러가 물을 얼마나 많은 증기로 만들었는지를, 압력과 온도가 달라도 같은 잣대로 재는 값이다. 같은 1,000kg/h라도 증기 압력이 높으면 물 1kg을 증기로 만드는 데 드는 열량이 달라서 일의 크기가 다르다. 그래서 기준 조건으로 환산한다.

정식 정의는 다음과 같다. 환산증발량은 보일러가 실제로 증발시킨 양을 대기압하 100℃ 포화수가 100℃ 포화증기로 바뀌는 데 필요한 열량을 기준으로 환산한 증발량이다. 기준 열량은 539kcal/kg이다. 이 값은 100℃에서 물의 증발잠열이다.

실제증발량은 연료를 태워 실제로 발생시킨 증기의 질량 유량(kg/h)이다. 발생증기 엔탈피는 보일러 출구 증기의 비엔탈피이고, 급수 엔탈피는 보일러에 들어가는 물의 비엔탈피다. 두 엔탈피의 차가 물 1kg당 실제로 추가된 열량이다. 이 차를 기준 증발잠열로 나누면 기준 조건에서 몇 kg의 증기를 만들 수 있는지가 나온다.

관련식은 다음과 같다.

$G_e = G_a \times \frac{h_2 - h_1}{539}$

여기서 G_e는 환산증발량(kg/h), G_a는 실제증발량(kg/h), h_2는 발생증기 엔탈피(kcal/kg), h_1은 급수 엔탈피(kcal/kg), 539는 100℃ 물의 증발잠열(kcal/kg)이다. SI 단위로 쓰면 539kcal/kg은 약 2,257kJ/kg이므로 식은 G_e = G_a \times (h_2 - h_1)/2257이 된다(엔탈피는 kJ/kg).

정격출력과의 관계는 다음과 같다. 환산증발량에 539kcal/kg을 곱하면 기준 열출력(kcal/h)이 된다. 즉 Q = G_e \times 539이다.

계산 예제(가상의 값)를 보자. 실제증발량 G_a = 2,000kg/h, 발생증기 엔탈피 h_2 = 2,780kJ/kg, 급수 엔탈피 h_1 = 125kJ/kg이라 하자. 엔탈피 차는 2,780 - 125 = 2,655kJ/kg이다. 따라서 G_e = 2{,}000 \times 2{,}655 / 2{,}257 = 2{,}353kg/h이다. 발생 증기가 100℃ 증기보다 엔탈피가 커서 환산증발량이 실제증발량보다 약 18% 크게 나온다. 상식 범위에 맞는 결과다.

보일러 용량을 말할 때는 보일러마력도 쓴다. 1보일러마력은 환산증발량 15.65kg/h에 해당하며, 열량으로는 약 8,435kcal/h이다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러는 증기 압력, 급수 온도, 연료 종류에 따라 같은 질량의 증기를 만드는 데 드는 열량이 달라진다. 제조사마다 정격 조건이 다르면 용량을 kg/h로만 비교할 수 없다. 이 문제를 해결하려고 기준 조건의 증발량인 환산증발량이 쓰이게 되었다.

첫째, 보일러 능력 표시의 통일이다. 같은 실제증발량이라도 발생 증기 압력이 높으면 엔탈피가 커서 환산증발량이 커진다. 환산증발량으로 표시하면 압력이 다른 보일러도 같은 척도로 비교할 수 있다.

둘째, 효율 시험의 기준이다. 보일러 효율은 환산증발량에 기준 열량을 곱한 정격출력을 연료의 입열량으로 나눠 구한다. 따라서 환산증발량은 효율을 계산할 때의 출력 값이 된다.

셋째, 난방 설비 설계와의 연결이다. 난방 설비에서는 보일러 능력을 상당방열면적으로 표시하기도 한다. 상당방열면적은 방열기 1㎡가 내는 표준 방열량을 기준으로 한 값이다. 증기 난방은 650kcal/㎡h, 온수 난방은 450kcal/㎡h를 쓴다. 예를 들어 온수 난방 부하가 3,600kcal/h이면 상당방열면적은 3,600 / 450 = 8㎡이다.

환산증발량과 상당방열면적은 모두 보일러의 정격출력에서 나온다. 환산증발량은 질량 유량(kg/h) 기준이고, 상당방열면적은 방열 면적(㎡) 기준이다. 두 값은 단위 기준만 다를 뿐 같은 출력을 말한다.

4. 구성요소·원리·절차

환산증발량(Equivalent Evaporation)은 보일러가 실제로 낸 증발량을 기준 조건의 증발량으로 바꾼 값이다. 증기의 발생 압력과 급수 온도가 달라도 같은 기준에서 보일러 능력을 비교할 수 있게 한다.

실제증발량은 급수 온도와 증기 압력에 따라 전달된 열량이 달라진다. 같은 증발량이라도 엔탈피 차가 다르면 보일러가 한 일이 달라지므로, 엔탈피 차를 기준 잠열로 나누어 환산한다.

환산증발량의 관계식은 다음과 같다.

$W_e = \frac{W\,(h_2 - h_1)}{539}$

W_e는 환산증발량(kg/h), W는 실제증발량(kg/h), h₂는 발생 증기 엔탈피(kcal/kg), h₁은 급수 엔탈피(kcal/kg), 539는 기준 증발 잠열(kcal/kg)이다. SI 단위로 쓰면 다음과 같다.

$W_e = \frac{W\,(h_2 - h_1)}{2256}$

여기서 2256은 기준 증발 잠열 2256kJ/kg이다. 두 식은 1kcal = 4.186kJ 관계로 같은 값을 준다.

환산증발량은 실제 엔탈피 차를 기준 잠열 539kcal/kg으로 나눈 값이다.

환산증발량의 계산 절차는 다음과 같다.

• 실제증발량 W를 급수량 또는 연료 사용량으로부터 구한다.
• 발생 증기의 압력과 온도에서 h₂를 증기표로 찾는다.
• 급수 온도에서 h₁을 찾는다.
• 관계식에 대입하여 W_e를 구한다.
• 얻은 환산증발량으로 보일러 용량을 비교하고 상당방열면적을 산정한다.

상당방열면적(EDR, Equivalent Direct Radiation)은 보일러 출력을 방열기 1㎡가 내는 표준방열량으로 나눈 면적이다. 보일러가 방열기 몇 ㎡를 감당하는지를 나타내므로 난방 설비 용량 표시에 쓴다.

$EDR = \frac{Q_{out}}{q_s}$

EDR은 상당방열면적(㎡), Q_out은 보일러 출력(kcal/h), q_s는 표준방열량(kcal/m²·h)이다. 보일러 출력은 환산증발량과 기준 잠열의 곱이므로 Q_out = 539 × W_e로 쓸 수 있다.

증기 난방의 표준방열량은 650kcal/m²h를, 온수 난방은 450kcal/m²h를 쓴다. 예를 들어 환산증발량 1,000kg/h인 증기 보일러의 출력은 539 × 1,000 = 539,000kcal/h이고, 상당방열면적은 539,000 ÷ 650 ≈ 829㎡이다. 결과는 보일러 용량과 방열기 면적이 같은 수준인지 확인하는 데 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

환산증발량과 상당방열면적은 보일러 용량을 표시하는 기계설비 기준 개념이다. 관련 값은 아래 표로 정리한다.

표준방열량은 방열기의 표준 상태에서 1㎡당 방열량이다. 증기와 온수는 열매 온도가 달라 표준방열량도 다르다. 따라서 상당방열면적을 구할 때는 난방 방식에 맞는 값을 골라 써야 한다.

열효율은 정격출력을 연료가 가진 저위발열량으로 나눈 값이다. 정격출력은 상용출력에 예열 부하를 더한 값이다. 상용출력은 난방부하, 급탕부하, 배관 손실의 합으로 본다. 이 관계를 알면 환산증발량에서 얻은 출력과 열효율 식을 한 흐름으로 연결할 수 있다.