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에너지관리기사 열설비 · 보일러수 순환과 관류 보일러

Water Circulation and Once-Through Boilers

보일러수는 증기가 섞여 가벼워진 쪽이 오르고 무거운 쪽이 내려가며 스스로 돌기도 하고(자연 순환), 펌프로 돌리거나(강제 순환), 한 번 통과시켜 바로 증기로 만들기도 한다(관류). 순환의 원동력인 밀도차, 압력에 따른 순환력 변화, 세 순환 방식의 특징과 관류 보일러가 필요한 이유를 다룬다. 그림에는 고른 방식의 포화수 · 포화 증기 밀도 막대와 그 차이(자연 순환력)가 있어요. 자연 순환 · 강제 순환 · 관류 버튼으로 방식을 고르고 보일러 압력 P 슬라이더(1 ~ 220 kgf/cm²)를 올리면 밀도차가 줄어들고, 자연 순환은 한계 압력을 넘으면 경고 문구로 바뀌어요.

물은 왜 스스로 도는가

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

👀 순환의 원동력
①상승관에는 물과 증기가 섞여 가볍고, 강수관에는 물만 있어 무겁다
②두 관의 밀도차가 클수록 순환력이 커진다
③압력이 높아지면 포화수는 가벼워지고 포화 증기는 무거워져 밀도차가 줄어든다
④임계 압력에서는 포화수와 포화 증기의 밀도가 같아져 밀도차가 0 이 돼요

순환 방식 세 가지

20 kgf/cm²
💡 방식별 특징
①자연 순환은 밀도차로 돌고, 구조가 단순해 저 · 중압에 쓰지만 고압에서는 순환력이 모자란다
②강제 순환은 순환 펌프로 돌려 고압과 가는 수관에도 쓸 수 있지만 펌프 동력이 든다
③관류는 드럼 없이 급수를 펌프로 밀어 한 번 통과하는 동안 증기로 만들고, 초임계압에도 쓰지만 수질 관리가 엄격해요

고압에서는 자연 순환이 약해진다

압력을 임계 압력(225.65 kgf/cm²)에 가깝게 올릴수록 포화수와 포화 증기의 밀도가 서로 가까워져 밀도차가 사라진다. 밀도차가 순환의 원동력이므로, 고압에서는 자연 순환이 어려워져 강제 순환이나 관류 방식으로 넘어간다.

지금 밀도차
Δρ = 876 kg/m³
P = 20 kgf/cm² 기준
순환 방식 경계
한계 ≈ 170 kgf/cm²
이보다 높으면 강제 순환 · 관류
⚡ 관류 보일러가 필요한 이유
①초임계압(225.65 kgf/cm² 초과)에서는 물과 증기의 구분이 사라져 드럼을 둘 까닭이 없다
②관류 보일러는 드럼이 없어 증기와 물을 나눌 곳이 없다
③그래서 급수 수질이 나쁘면 관 안벽에 스케일이 그대로 남는다
④보유 수량이 아주 적어 부하에 빨리 응답하지만 수위 · 수질 관리가 엄격해요

핵심 공식

자연 순환력
F = (ρw - ρs) · H · g
ρw = 포화수 밀도, ρs = 포화 증기 밀도, H = 순환 수두
순환비
순환비 = 순환수량증기발생량
순환 수량을 발생 증기량으로 나눈 값(보통 6 ~ 30)
임계 압력
Pc = 225.65 kgf/cm2
임계 온도 374.15 ℃ 에서 포화수와 포화 증기 밀도가 같아진다

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①자연 순환력 F = (ρ물 - ρ증기) × 수두 H × g 이고, 밀도차가 클수록 크다
②압력이 높아지면 밀도차가 줄어 순환력이 약해지고, 임계 압력에서 0 이다
③물의 임계 압력은 225.65 kgf/cm²(약 22.1 MPa), 임계 온도는 374.15 ℃ 예요
④자연 순환은 저 · 중압, 고압은 강제 순환, 초임계는 관류
⑤관류 보일러는 드럼이 없고 보유 수량이 적어 응답이 빠르며 수질 관리가 엄격해요
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 자연 순환 보일러의 순환력을 만드는 원인은? (답: 상승관과 강수관의 밀도차)
②[기출유형] 압력이 높아질수록 자연 순환력은 어떻게 되는가? (답: 밀도차가 줄어 약해진다)
③[기출유형] 드럼이 없어 초임계압에 쓰는 보일러는? (답: 관류 보일러)
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