원자로 열역학 원자력교육원 한국수력원자력㈜ 원자로열역학을 배우는 이유 설명

학습목표 열역학 용어의 개념을 이해한다. 열역학 제1법칙을 이해한다. 정상류의 에너지식에 대하여 이해한다. 엔탈피의 개념에 대하여 이해한다. 원자로의 열역학적 해석을 이해한다.

상태량 열역학적 계 과정 원자로심의 열력학적 해석 열과 일 밀폐계에서의 열역학제1법칙 1차계통의 열역학적 해석 개방계에서의 열역학제1법칙 엔탈피 정상류의 에너지식

1. 열역학적 계(System) 열역학적 계란? 주위 (Surrounding) 열역학적 해석의 대상이 되는 물질의 일정한 량 또는 공간내의 구역 주위 (Surrounding) 어떤 계가 정해졌을 때 그 계 외부와 모든 것 밀폐계

1. 열역학적 계 (계속) 계의 경계 (System Boundaries) 계와 주위를 분리시키는 경계 밀폐계 (Closed System) 항상 같은 물질을 가지고 있으며 경계를 통한 물질의 전달은 없는 계 개방계 (Open System) 경계를 통해 열과 일뿐만 아니라 물질도 전달되는 계 고립계 (Isolated System) 계와 주위사이에 아무런 상호관계가 없는 계, 즉 열, 일, 물질이 경계를 통해 전혀 전달되지 않는 계

1. 열역학적 계 (계속) 증기발생기 원자로냉각재펌프 원자로 밀폐계 개방계

2. 상태량 (Property) 상태량 (Property) 계의 상태 량 열적 평형 (Thermal Equilibrium) 특정한 시간에 물질을 나타내는 열역학적 특성 값-경로와는 무관 온도, 압력, 밀도 등 같은 상태에 있는 물질의 상태량은 동일 계가 평형상태에 있을 때만 계의 상태를 기술할 수 있음 계의 상태 량 열적 평형 (Thermal Equilibrium) 열적 특성치(온도 등)의 값이 계 전체에 걸쳐 일정한 경우 열역학적 평형 (Thermodynamic Equilibrium) 어떤 외적인 자극이 없는 상태에서 계의 상태가 변하지 않을 때의 계의 상태 기계적 평형 (Mechanical Equilibrium) 압력 등의 값이 계 전체에 걸쳐 일정한 경우 상태는 에너지보유상태를 말한다.

3. 과 정(Process) 과정이란? 계가 변화하는 연속된 경로 과정이 일어 날 때는 평형이 존재하지 않음 준 평형과정(Quasi-equilibrium Process) - 이상적과정 열역학적 평형으로부터 벗어남이 무한히 작은 과정 준 평형과정 중에 있는 모든 상태는 평형상태로 볼 수 있음 과정경로 (Process Path) 계가 겪는 상태변화의 일련의 단계

3. 과 정 (계속) 등온과정 (Isothermal Process) 일정한 온도에서 상태변화를 겪는 과정 등압과정 (Isobaric Process) 압력이 일정할 때의 상태변화 등적과정 (Isometric Process) 체적이 일정하면서 겪는 상태변화 과정 단열과정 (Adiabatic Process) 계와 주위 사이에 열전달이 없는 과정 열역학적 사이클 (Thermodynamic Cycle) 계의 최종상태와 초기상태가 동일하도록 계에서 수행되는 일련의 과정

4. 열과 일 열 (Thermal) 온도차에 의하여 계의 경계를 통해 전달되는 에너지의 한 형태 물체는 결코 열을 갖지 않으며 경계를 넘어설 때에만 확인될 뿐이다. 열은 일시적인 현상 일 (Work) 거리를 통하여 작용하는 힘 W : 총 일(kgf-m) F : 일정한 힘(kgf) X : 총 거리(m)

4. 열과 일 (계속) 일은 계의 경계에서만 이루어짐 계가 한 일은 양(+), 계에 행하여진 일은 음(-)으로 생각(약속) 계의 경계에서 일이 수행된 예 일은 계의 경계에서만 이루어짐 계가 한 일은 양(+), 계에 행하여진 일은 음(-)으로 생각(약속)

4. 열과 일 (계속) 열과 일의 특성 열 과 일은 둘 다 일시적인 현상이다. 열 과 일은 둘 다 계의 경계에서 일어나는 경계현상 이다. 열 과 일은 둘 다 경로에 좌우되는 경로 함수이다. 열과 일의 부호 표시

5. 밀폐계에서의 열역학 제1법칙 열역학 제1법칙 에너지 보존의 법칙 또는 에너지 불변의 법칙 에너지는 창조되거나 소멸되지 않고 다만 다른 형 태의 에너지로 전환될 뿐이다. 한 사이클에서 밀폐계가 한 참일(Net Work)은 계로 들어간 참 열량(Net Heat)에 비례 J:열의 일 당량(kg·m/kcal) A:일의 열 당량(=1/J=1/427kcal/kg · m) 사이클 적분은 들어온 일과열량의 합은 나간 열과 일의 합과 같다는 것임.

5. 밀폐계에서의 열역학 제1법칙 (계속) 밀폐계에 대한 열역학 제1법칙 상태의 변화를 겪은 후 계의 총 에너지 순수 변화량 은 계의 경계를 통해 전달된 순수 열(Net Heat)과 순수 일(Net Heat)의 차와 동일 Q : 상태1에서 2까지의 과정에서 계로 전달된 열량 W : 상태1에서 2까지의 과정에서 계가 이룬 일 ΔE : 계의 에너지 총 변화량 E : 주어진 상태에서 계의 모든 에너지= 내부에너지 + 운동에너지 + 위치에너지 또는 E = U + EK + EP

5. 밀폐계에서의 열역학 제1법칙 (계속) 작동유체 1kg에 대해 단순 에너지 방정식 밀폐계에서 운동에너지와 위치에너지 변화는 무시: 미소 작동유체 1kg에 대해

일은 한 상태로부터 다른 상태로 갈 때 경로에 좌우 5. 밀폐계에서의 열역학 제1법칙 (계속) 작동유체의 일 밀폐계가 하는 일 압력을 가해 밀려났다면 유동일. 일은 한 상태로부터 다른 상태로 갈 때 경로에 좌우

5. 밀폐계에서의 열역학 제1법칙 (계속) 작동유체의 일 유동일 유체가 계로 들어가거나 나가는 대는 반드시 일이 행해지 며 이 일을 유동일 또는 유동에너지라고 함 계가 한 일 계에 행해진 일

6. 개방계에서 열역학제1법칙 개방계에서의 에너지 특성치 시간에 대한 총 에너지 변화량 단위시간 동안 계로 들어가는 질량과 관련된 에너지를 수학 적으로 표현하면 계 내의 총 에너지 변화량은 계의 경계를 통해 전달되는 순 수 에너지량과 같다.

6. 개방계에서 열역학제1법칙 (계속) 밀폐계는 질량 유동률이 0 : mi = me = 0

7. 정상류의 에너지식 개방계 = 유동계 (Flow System) 정상유동계 (Steady-Flow System) 계 내의 각 지점에서 계의 특성치가 시간에 무관하게 일정하게 유지되는 개방계 계의 경계의 각 점에서 유체의 성질은 일정 계의 경계를 통과하는 질량유량률(Mass flow rate)은 일정 계로 들어오는 유량과 계를 나가는 유량은 동일 계의 주위와의 모든 상호작용은 일정한 비율로 발생 일률과 열전달률은 각각 시간에 따라 불변 예) 원자로, 증기발생기, 복수기, 터빈 등

7. 정상류의 에너지식 (계속) 정상유동계로 들어가거나 나오는 유체의 질량유동률에 관한 연속방정식 : 단면적 A를 통과하는 정상유동계로 들어가거나 나오는 유체의 질량유동률에 관한 연속방정식 : 단면적 A를 통과하는 유체의 질량 유량률 V : 유체의 평균속도 : 비체적 연속방정식(Continuity equation)

7. 정상류의 에너지식 (계속) 정상 유동계에 대한 열역학 제1법칙 일과 열의 형태로 계에 들어가는 에너지 + 계에 들어 오는 질량의 저장에너지 - 계에서 나가는 질량의 저 장에너지 = 계의 저장에너지의 순 증가량 개방계에 대한 열역학 제1법칙 정상 유동계는 에너지 특성치가 시간에 무관하게 일정하게 유지되므로 계의 총 에너지 변화량은 0 정상류 에너지방정식

8. 엔탈피 엔탈피 내부에너지(U)와 유동에너지의 합 전(또는 총) 엔탈피 : H(kcal) = U + APV 비(단위질량) 엔탈피 : h(kcal/kg) = u + Apv 준 평형 정압과정에서의 열전달량은 엔탈피의 변 화와 동일 상태량으로 단위는 에너지(kcal)의 단위와 같다. 정상유동계에 비엔탈피 개념 도입 정압과정은 W = FS이고, F = Pv에서 P의 변화가 0이면 일의 변화가 0

8. 엔탈피 (계속) 건도 x인 증기에 대한 비엔탈피 건도 X점: hfg hf hg 등압과정에서 열전달량이 엔탈비 변화와 같다는 것 설명 증발이 일어남에 따라 엔탈비변화 설명 hf hg

9. 1차계통의 열역학적 해석 원자로냉각재펌프 원자로 증기발생기 가압기 히터 증기 물

9. 1차계통의 열역학적 해석 (계속) 계의 경계 : 전 1차계통의 내벽 계의 경계면을 통한 질량유동은 없고 계는 밀폐계로 간주 1차계통에서 1사이클을 이루는 밀폐계에 대한 열역학제1 법칙 일로서 1차계통의 경계면을 통해 전달되는 정미 에너지는 열로서 1차계통의 경계면을 통해 전달된 정미 에너지와 같다는 것을 나타냄

10. 원자로노심의 열역학적 해석 노심은 정상유동계 계의 각 점에서의 냉각재 상태량은 시간에 대해 일 정 계의 각 점에서의 냉각재 상태량은 시간에 대해 일 정 노심내부로 유입되는 질 량유입률(1.4×108 1bm/hr)은 일정하며, 노 심외부로 나가는 질량유 량률과 동일 계로 유입되고 계를 떠나 는 질량(냉각재)의 성질은 시간에 대해 불변 연료봉으로부터 열은 계 로 일정한 율로 전달

10. 원자로노심의 열역학적 해석 (계속) 비열방정식 원자로 노심에서 발생하는 에너지의 변환과 전달에 대한 해석은 정상 유동에 대한 열역학 제1법칙으로 표시 가능 계의 경계를 통해 일을 하지 않으므로 W = 0, 노심을 통한 위치에너 지와 운동에너지의 변화는 무시 일반 에너지방정식을 사용하여 구한 연로봉으로부터 1차냉각재의 열전달률과 동일 비열방정식

요약정리 열역학적 계 상태량 과정(Process) 열과 일 열역학 제 1법칙 정상류의 에너지식 엔탈피 원자로의 열역학적 해석