보일러수 순환과 관류 보일러

Water Circulation and Once-Through Boilers

자연순환은 밀도차로, 관류는 펌프로 물을 강제로 흘려요. 압력·열부하가 순환 방식 선택에 영향을 줘요. 보일러 수계통 구조 이해의 핵심이에요. 압력에 따른 밀도차·순환 경향을 따라가 봐요.

물은 왜 스스로 도는가

가열된 수관 속 물은 일부가 증기가 되어 가벼워지고(상승관·리이저), 아직 물인 쪽은 무거워 내려갑니다(강수관·다운커머). 이 밀도차 × 수두가 펌프 없이 물을 돌리는 순환력입니다.

👀 순환의 원동력

①상승관에는 물+증기 혼합(가벼움), 강수관에는 물(무거움)

②두 관의 밀도차가 클수록 순환력이 커진다

③압력이 높아지면 포화수는 가벼워지고 포화증기는 무거워져 밀도차가 줄어든다

④임계압력에서는 포화수와 포화증기가 같아져 밀도차가 0이 된다

순환 방식 세 가지

보일러 압력 P20 kgf/cm²

💡 방식별 특징

①자연순환: 밀도차로 순환, 구조 단순·저중압용, 고압에서 순환력 부족

②강제순환: 순환펌프로 강제 순환, 고압·소형 수관 가능, 동력 필요

③관류: 드럼 없이 급수를 펌프로 밀어 1회 통과로 증기화, 초임계압 가능·수질관리 엄격

고압이 순환을 죽인다

압력을 임계압력(225.65 kgf/cm²)에 가깝게 올릴수록 포화수와 포화증기의 밀도가 서로 다가가 밀도차가 사라집니다. 밀도차가 순환의 원동력이므로, 고압에서는 자연순환이 불가능해져 강제순환이나 관류 방식으로 넘어갑니다.

현재 밀도차

Δρ = 876 kg/m³

P = 20 kgf/cm² 기준

순환 방식 경계

한계 ≈ 170 kgf/cm²

이보다 높으면 강제·관류

⚡ 왜 관류가 필요한가

①초임계압(225.65 kgf/cm² 초과)에서는 물과 증기의 구분이 사라져 드럼이 무의미

②관류 보일러는 드럼이 없어 증기와 물을 분리할 곳이 없다

③따라서 급수 수질이 나쁘면 관 내벽에 스케일이 그대로 남는다

④보유수량이 극히 적어 부하 응답이 빠르지만 수위·수질관리가 엄격하다

핵심 공식

자연 순환력

F = (ρ_w - ρ_s) · H · g

ρw=포화수 밀도, ρs=포화증기 밀도, H=순환 수두

순환비

순환비 = 순환수량증기발생량

순환수량을 발생증기량으로 나눈 값(보통 6~30)

임계압력

P_c = 225.65 kgf/cm²

임계온도 374.15℃에서 포화수와 포화증기 밀도가 같아진다

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①자연순환력 F = (ρ물 - ρ증기) × 수두 H × g, 밀도차가 클수록 크다

②압력이 높아지면 밀도차가 줄어 순환력 감소, 임계압력에서 0

③물의 임계압력 225.65 kgf/cm²(약 22.1 MPa), 임계온도 374.15℃

④자연순환은 저중압, 고압은 강제순환, 초임계는 관류

⑤관류 보일러: 드럼 없음·보유수량 적음·응답 빠름·수질관리 엄격

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 자연순환 보일러의 순환력을 만드는 원인은? (답: 상승관과 강수관의 밀도차)

②[기출유형] 압력이 높아질수록 자연순환력은 어떻게 되는가? (답: 밀도차가 줄어 감소)

③[기출유형] 드럼이 없어 초임계압에 사용하는 보일러는? (답: 관류 보일러)