수증기 흐름 제어

우리는 일상에서 수증기로 둘러싸여 있습니다. 우리는 항상 들이마시고 시각이나 촉각을 통해 그 존재를 감지할 수 있습니다. 또 다른 예로는 우리 집을 둘러싼 공기의 일부인 수증기입니다. 공기가 창문과 같은 차가운 표면과 만나면 수증기가 유리창에 응결되어 액체로 변해 눈에 보이고 만질 수 있게 됩니다.

산업 공정과 실험실에서도 증기는 유용한 역할을 합니다. 이게 증기가 무엇인지, 어디에서 사용되는지 그리고 어떻게 공정에 제어된 방식으로 전달될 수 있는지 설명합니다.

증기 유량 제어에 대해 더 알아보기

증기란 무엇인가?
증기를 생성하는 방법
왜 증기를 사용하는가?
버블러를 이용한 전통적인 증기 유량 제어
CEM(Controlled Evaporation & Mixing)을 통한 개선된 증기 유량 솔루션
증기 흐름 응용: 응결 방지
증기 흐름 응용 사례

증기 제어 시스템을 찾아보세요

증기란 무엇인가?

증기는 기체와 매우 유사합니다. 기체는 고체와 액체처럼 물질의 기본 상태 중 하나입니다. 기체와 증기는 모두 자유롭게 움직이는 개별 분자로 구성되어 있습니다. 그러나 이 두 상태 사이에는 중요한 차이점이 있습니다. 만약 어떤 화합물이 상온(약 20 °C)과 정상 압력(1기압)에서 액체 상태라면, 그 화합물의 '기체' 상태를 증기라고 부릅니다. 따라서 우리는 물의 '기체' 형태를 수증기라고 부르는 반면에 산소는 일반 조건에서 여전히 기체이기 때문에 산소를 기체라고 부릅니다.

증기를 생성하는 방법

온도를 올리거나 압력을 낮추면 액체가 증발하여 증기로 변할 수 있습니다. 분자 수준에서 보면, 액체 표면에는 항상 충분한 속도로 표면에서 분리되는 분자들이 존재합니다. 따라서 액체 위에는 항상 같은 액체의 증기가 존재합니다. 증발은 액체의 끓는 온도에서만 일어나는 것이 아니라, 모든 온도에서 발생합니다. 끓는점은 액체의 증기압이 주변 압력과 같아지는 온도입니다.

온도와 압력을 조절하는 것은 증기 압력을 제어하는 두 가지 방법이며, 이로 인해 동적상황에서 증기의 양이나 증기 흐름을 제어할 수 있습니다. 압력을 제어하는 세 번째 방법은 증기를 희석하는 것입니다. 예를 들어, 질소와 같은 불활성 가스를 추가하는 방법이 있습니다.

왜 증기를 사용하는가?

어떤 공정에 증기를 제어된 방식으로 공급해야 하는 상황이 있습니다. 예를 들어, 연료 전지(PEMFC)의 전해질은 높은 전도성을 유지하고 최적의 성능을 발휘하기 위해 수화된 상태(습윤 상태)를 유지해야 합니다. 이에 대한 자세한 내용은 고객 사례 를 참고하시기 바랍니다. 또한, 습도 센서를 통해 정확한 수증기 농도를 공급하여 올바른 습도 값을 표시할 수 있도록 조정할 수 있습니다.

또 다른 증기 공급 방식은 반응기에 금속유기 증기를 제어하여 공급하는 것입니다. 이러한 증기 화합물은 화학 증기 증착(CVD) 반응의 전구체로 작용하여 물체에 얇은 층을 증착합니다. 예를 들어, 반도체 박막을 증착하는 경우입니다. 정확한 증기 공급은 정밀한 제어와 복잡한 형상의 물체에 균일한 증착을 위해 필요하며, 고가의 금속 유기물 전구체의 낭비를 방지할 수 있습니다.

버블러를 이용한 전통적인 증기 유량 제어

전통적으로 증기를 공정에 공급하는 방법은 버블러 시스템을 이용하는 것입니다. 여기서는 가스 유량이 액체가 담긴 가열된 용기를 통해 기포로 전달됩니다. 캐리어 가스의 흐름은 액체 화합물 증기로 완전히 또는 부분적으로 포화되며, 이 증기 흐름은 캐리어 가스에 의해 공정으로 이동됩니다. 이는 범용으로 사용할 수 있는 비교적 간단한 장치이지만 몇 가지 단점이 있습니다. 공정 조건의 작은 변화가 증기 흐름에 큰 변화를 일으켜 장기적인 안정성이 낮고 상대적으로 부정확한 상태로 만듭니다. 증기 압력이 주로 용기 온도에 의존하기 때문에 작은 온도 변화도 증기 압력과 흐름에 큰 변화를 초래할 수 있습니다. 또한 안정적인 증기 흐름을 위해서는 총 압력과 캐리어 가스 흐름 속도가 안정적이어야 합니다.

액체를 통과하는 캐리어가스

증기 흐름 솔루션

CEM을 통한 개선된 증기 유량 솔루션

위와 같은 문제를 해결하는 한 가지 방법은 증기 공급을 위해 CEM (Controlled Evaporation & Mixing) 시스템을 사용하는 것입니다. 이 기화기 시스템에서는 가스 질량 유량 컨트롤러(예: EL-FLOW Select)가 정확하게 제어된 캐리어 가스 유량을 공급하고, 액체 유량계(예: mini CORI-FLOW 또는 LIQUI-FLOW)가 기화될 액체의 유량을 측정합니다. 액체 제어 밸브는 3방향 액추에이터로 작동하여 작은 액체 방울을 캐리어 가스와 혼합하는 역할을 합니다.

혼합된 유체는 온도가 제어되는 챔버로 들어가며, 여기서 액체가 완전히 기화되고 균일한 증기/가스 혼합물이 생성됩니다.

CEM 시스템은 전원 공급 장치를 포함한 리드아웃/제어 장치로 모니터링할 수 있으며 Bronkhorst Flowsuite과 같은 소프트웨어를 사용하여 PC로 시스템을 작동/운영할 수 있습니다. CEM 시스템은 다양한 면에서 버블러 시스템보다 우수한 증기 공급 모듈입니다. 이 공정은 압력과 온도에 독립적입니다. 왜냐하면 가스와 액체가 질량 유량 컨트롤러를 통해 제어되기 때문에 질량 유량 기기의 정확성과 반복성으로 몰 비율을 정확하게 제어할 수 있습니다. 이 정확한 질량 유량 제어는 기화기에서 나오는 증기의 출력을 크게 안정화합니다.

캐리어 가스에 액체 유량을 직접 주입하면 가스 내 액체 분자의 분산이 향상되고 반응 시간이 크게 단축됩니다.

기화기 챔버는 난류를 생성하는 모양으로 설계되어 가스-액체 혼합물의 균일성을 높입니다. 또한 미세 액체 방울을 가열하여 기화를 촉진하는 역할을 합니다. 액체의 질량 유량은 온라인 Fluidat on the Net 툴을 이용하여 쉽게 확인할 수 있습니다. 또한 상대 습도(%RH)와 몰 농도도 계산할 수 있어 CEM 기화 시스템을 더욱 쉽게 활용할 수 있습니다.

증기 흐름 응용: 응결 방지

증기는 압력을 높이거나 온도를 낮추어 비교적 쉽게 다시 액체로 전환할 수 있습니다. 이는 가스에는 절대 적용되지 않습니다. 증기를 다룰 때의 주요 포인트 중 하나는 응결을 방지하는 것으로 응결이 발생하면 진행중인 기화 과정에 손상을 줄 수 있습니다.

증기 흐름 응용 사례

CEM 시스템을 이용한 증기 공급은 주로 표면 처리, 식음료 산업, 제약, 재료 연구 및 테스트, 환경 연구와 같은 분야에서 사용됩니다.

예를 들면, CEM 시스템은 무균의 멸균 과정에서 사용됩니다. 이와 관련된 고객 사례 를 읽어보세요.
또한, CEM은 자동차 산업의 연료 전지 테스트 벤치에서 제어된 상대 습도를 공급하는데도 사용됩니다. 이 응용 스토리(연료 전지 테스트 벤치)에 대해 자세히 알아보세요.