열역학 열 역 학 발 전 교 수 실 김 규 남 발 전 교 수 실

제6절 증기원동소 사이클 물과 증기의 일반적 성질, 열적상태량 랭킨사이클의 구성 랭킨사이클의 열효율 증가방법 재열사이클 구성 및 특징 재생사이클 구성 및 특징 재열, 재생사이클 구성 및 특징

물의 상태변화 정압상태에서 (표준대기압) 과 물의 상태변화 열 증 기 증발잠열 물 X (건도) 1-X (습도) (b) 포화수 (c) 습증기 (d) 건포화증기 (e) 과열증기 액체 물의 상태변화 온도 20 40 80 정압상태에서 (표준대기압) 물의 상태변화 과 열 증 기 증발잠열 물 액 체 열 X (건도) 1-X (습도) 포화증기, 건증기 : 포화온도에서 100% 증발이 완료된 증기 증발이 일어나는 동안의 온도는 포화온도로 일정 습증기 :증발완료시까지 포화온도와 압력은 일정, 체적증가 포화수 :포화상태에 도달한 물, 포화압력, 포화온도 표준대기압에서의 포화온도 100℃ 과열도 = 과열증기온도 –포화증기온도 과열도가 커질수록 증기는 완전가스에 가까워 진다 과열증기 : 포화온도 이상으로 가열된 증기 건도 (X) = 습중기중 증기중량 / 습중기 중량 증발잠열:1kg의 포화수를 정압하에서 포화증기로 증발시키는데 필요한 열량 표준대기압하에서 538.8kcal 소요 액체열 : 0℃의 불포화수 1kg을 그 압력에 상당하는 포화수까지 온도를 높이는데 필요한 열량 0℃ 불포화수를 임의온도의 과열증기로 만드는데 필요한 열량 과열증기 엔탈피 = 액체열 + 증발열 + 과열열

T-S 선도 P=C P=C 임계점 P = 225.65kg/㎠, T = 374.15℃ T K 임계점 과열증기 포화액선 포화증기선 불포화액 습증기 D B T-S 선도 S 임계점 P = 225.65kg/㎠, T = 374.15℃

증기원동소란 ? (Steam power station) 증기를 이용하여 동력을 발생시키는 열기관의 대표적인 장치 -- 화력발전소 화력발전소는 증기(물)를 작동유체로 하여 사이클을 이루고 있음 구성을 보면 고열원으로부터 열에너지를 얻기 위한 보일러, 일을 얻기 위한 터빈 열을 방출하기 위한 복수기 등이 있으며 이러한 시스템 전체를 증기플랜트, 또는 증기원동소라 부른다 증기원동소 중에서 동력을 발생시키기 위하여 작동유체가 물에서 증기로 변하는 것을 증기사이클이라 하며 그 대표적인 것이 1854년 영국의 William Rankine에 의해 창안된 랭킨사이클이다.

증기 원동소 시스템

랭킨사이클 증기원동소의 기본사이클 2개의 단열변화와 2개의 정압변화 5-1 과정 : 등압방열 (복수기) Q2 = H5 – H1 4-5 과정 : 단열팽창 (터빈) Awt = H4 – H5 1-2 과정 : 단열압축과정 (급수펌프) Awp = H2 – H1 2-4 과정 : 등압과정 (보일러) Q1 = H4 – H2

AW = Q1 – Q2 = AWt – Awp 1사이클에 대한 유효일과 효율 η 유효일량 = 터빈이 한일 – 급수펌프가 한일 = 공급열량 AW Q1

랭킨사이클의 열효율 향상 방법 랭킨사이클의 열효율 열효율에 영향을 주는 요소 터빈입구 과열증기 엔탈피와 터빈출구 습증기 엔탈피에 의해 정해짐 열효율에 영향을 주는 요소 터빈입구 증기압력(초압) 터빈입구 증기온도(초온) 터빈출구 증기압력(배압)

초압의 영향 A B 터빈유효일 터빈유효일 증가분 감소분 초압을 높이면 P=C 방열량감소 4 터빈출구 증기습도증가 → 터빈 회전날개 부식증가 → 습분에 의한 마찰로 내부손실증가 유효일의 증감은 거의 동일하나 방출열량의 감소 → 열효율 증가 터빈출구에서 증기의 습도를 10%이내로 제한

초온의 영향 터빈유효일 증가분 → 마찰에 의한 내부손실감소 터빈 수명연장 효과 초온을 높이는데 제한요소 : 금속재료 방열량증가분 터빈출구 습분 감소 → 터빈 회전날개 부식감소 → 마찰에 의한 내부손실감소 터빈 수명연장 효과 초온을 높이는데 제한요소 : 금속재료 초온을 높이면 열효율이 증가한다

배압의 영향 터빈의 유효일 증가분 배압을 낮추면 열효율은 증가한다 터빈출구 습분증가 → 터빈 회전날개 부식 →습분에 의한 마찰로 내부손실증가 배압을 낮추는데 제한요소 냉각수의 온도에 의해 결정 → 인위적으로 저하시키는데 한계가 있다 배압을 낮추면 열효율은 증가한다

재열사이클 η (H3-H4)+(H5-H6’) AWt = Q1 (H3-H1)+(H5-H4) 터빈출구에서의 습분 감소, 터빈 회전날개 부식방지 터빈 내부손실감소, 열효율 향상

재생사이클 랭킨사이클 및 재열사이클은 복수기에 버리는 열량이 많다 이 손실을 감소시키기 위해 터빈팽창 도중 증기를 추기시켜 보일러급수 가열 전체 사이클 효율 증가

재생사이클의 효율 η (h4-h5) - m1(he-h5) - m2(hg-h5) AWt = q1 (h4-hf) 추기로 인한 터빈일 감소량 △AWt = m1(he-h5) + m2(hg-h5) 터빈 유효일의 열상당량 Awt = h4-h5 - △AWt 보일러 공급열량 q1 = h4-hf η = AWt q1 (h4-hf) (h4-h5) - m1(he-h5) - m2(hg-h5)

재생, 재열사이클

재생, 재열사이클 재생사이클과 재열사이클의 장점을 조합 효율증대 및 설비 운영면에서 유리 재생사이클 : 열효율 증가 재열사이클 : 약간의 효율 증가 뿐만아니라 터빈출구 습분감소로 터빈의 부식 및 마찰손실 방지 효율증대 및 설비 운영면에서 유리

단 원 정 리 물과 증기의 성질, 열적상태량 랭킨사이클 랭킨사이클 열효율 증가방법 재열, 재생, 재생-재열사이클 구성 및 특징