물 표면의 증발 속도 (Evaporation Rate of Water) 계산 및 물의 증발열

수영장, 연못 등의 수면에서 물의 증발 속도는 온도, 습도, 공기 흐름 및 공기에 노출되는 액체의 표면적에 의해 영향을 받는다.

증발된 물의 양은 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

(식 1) gh = Θ * A * (Xs - X)

 

gh : 시간당 증발된 물의 양 (kg/h)

Θ : 증발 계수 (kg/m²-h), Θ = ( 25 + 19 v ) 

v : 수면 위의 공기 속도 (m/s)

A : 공기-물 표면의 면적 (m²)

Xs : 수면과 동일한 온도에서 포화 공기의 최대 습도 비율 (kg/kg : 건조 공기 중에 H₂O 량)

X : 공기 습도 비율 (kg/kg : 건조 공기 중에 H₂O 량)

 

수온이 20 ℃ 인 30 m x 15 m 수영장의 물 증발량을 구해보자. 수면 위 공기의 최대 포화 습도 비율 0.0147 kg/kg, 공기 온도가 25 ℃ 이고 상대 습도가 50 %인 경우 공기 중 습도 비율은 0.01 kg/kg 이다. (증기 분압에 의한 습도 비율 구하는 식을 참조하기 바란다.)

수면 위의 공기 속도가 0.5 m/s 인 경우,

gh = (25 + 19 * 0.5) * 450 * (0.0147  - 0.01) = 73 kg/h 이다.

 

증발 시에는 물질은 주위로부터 증발열(또는 기화열)을 흡수한다. 즉, 물 등 액체가 증발하기 위해서는 열이 필요하게 된다. 이 때 수온을 유지하려면 물에 열을 공급해야 한다. 아래 표에 온도에 따른 증발열을 나타내었다.

 

표 1. 물의 온도별 기화열(증발열)

 

증발을 충당하는 데 필요한 열은 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

(식 2) q = h * gs 

 

q : 공급해야 하는 열 (kJ/s = kW)

h :  물의 증발열 (kJ/kg)

gs : 초당 증발된 물의 양 (kg/s)

 

예를 들어, 20 ℃ 온도에서 물의 증발열은 2,453.5 kJ/kg, 증발한 물의 양 0.05 kg/s 이라면, 물의 온도를 유지하는 데 필요한 열 공급량은 아래와 같다.

q = 2453.5 kJ/kg * 0.05 kg/s = 122.68 kW 이다.

 

공기속도, v (m/s) :

수면적, A (m2) :

포화 공기의 최대 습도 비율, Xs (kg/kg) :

공기의 현재 습도 비율, X (kg/kg) :

물의 증발열, hw (kJ/kg) :

     

증발된 물, gh (kg/h) :

공급 열, q (kW) :

 

습도 비율은 이 문서를 참조하여 구한다.