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16장 동력공장의 열역학적 분석 2 조 이성몽 홍정호
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■ 목 차 ○ 증기동력 시스템 ○ 랭킨사이클 ○ 랭킨사이클의 열역학적 분석
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○ 증기동력 시스템 증기동력 플랜트, 증기 원동기 ▣ 보일러, 과열기, 재열기 - 동작하는 유체가 그
열원으로 부터 열에너지를 얻기 위한 장치 ▣ 터빈 - 일을 하기 위한 장치 ▣ 복수기 - 저 열원에 열을 방출하기 위한 장치 ▣ 급수펌프
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○ 증기동력 시스템 ▣ 기대되는 최대의 일, 시스템 내 각 구성요소에서 손실되는 일의 수치를 계산
증기동력 시스템에 열역학적 원리를 적용하여 ▣ 기대되는 최대의 일, 시스템 내 각 구성요소에서 손실되는 일의 수치를 계산 ▣ 큰 에너지의 손실이 일어나는 장소를 파악 → 대책 강구 ▣ 합리적인 에너지 절약효과를 이끌어 냄
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
1) 영국의 공학자이며 물리학자인 랭킨(Rankine, William John Macquorn, 1820 ~ 1870)에 의하여 1854년에 창안하였고 펌프, 보일러, 터빈, 복수기 로 구성 2) Carnot 사이클에서 실현 불가능한 등온팽창, 압축과정을 정압 팽창, 압축과정으로 대치하여 실현가능 상태로 만든 사이클
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
© The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 그림 1. 랭킨 사이클의 기본구성도 그림 2. 랭킨 사이클의 T-S 선도
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
▣ 1-2 : 급수펌프에서 가역 단열 압축과정 (포화수->압축수) ▣ 2-3 : 보일러, 과열기에서 정압 가열과정 (포화수->건포화증기->과열 증기) ▣ 3-4 : 터빈에서 가역 단열 팽창과정 (과열증기->습증기) ▣ 4-1 : 복수기에서 정압 방열과정 (습증기->포화수)
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
▣ 펌프일 (과정 1– 2) WP = = V1 ( P2-P1 ) = H2- H1 ▣ 가열량 (과정 2-3) QH = H3 - H2 ▣ 터빈의 일 (과정 3-4) Wt = = H3 - H4 ▣ 방열량 (과정 4-1) QL = H1 - H4
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
▣ 참일 (터빈일(Wt)의 일부는 펌프일(WP)로 소모) WR = Wt-Wp = (H3-H4)-(H2-H1) ▣ 공급된 열에 대한 실제일의 척도(열효율) ηR = Wt - Wp / QH = { ( H3-H4 )-( H2 - H1 )} / ( H3 - H2 ) ※ 여기서 펌프의 일 (H2-H1) 급수펌프에 의하여 P1에서 P2로 압축 급수 압축시 소요되는 펌프일 << 증기 팽창시 얻게되 는 터빈일 (펌프의 일 무시가능)
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
▣ 랭킨 사이클의 열효율 터빈 입구에서의 과열 증기의 엔탈피 H3와 터빈 출구의 엔탈피 H4의 값에 결정.
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
터빈 입구의 증기온도와 배압을 일정 – 초압 ↑ 배출열량이 감소하여 열 효율이 증가하나 오히려 3→4에서 3'→4'의 변화 ∴ 압력의 증대만으로 열효율의 증대 X (터빈 출구의 증기습도는 약 12%이하로 제한) 그림3. Boiler의 초압 증가시
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)
과열증기가 습증기로 가는 과정중 Condenser 에서의 압력을 낮춰주면 4→1에서 4'→1'의 변화 ∴ 압력의 감소로 효율증가 ※ 초온(보일러 온도)의 증대 역시 배기의 습도 가 작아지고 과열기에서 팽창이 많아져서 터빈의 출력, 효율 증대 (초온은 약 ℃로제한) 그림4. Condenser 압력 감소시
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)의 열역학적 분석
열역학 제 2법칙에 의해 열역학적 사이클로 열이 일로 변환될 때, 열이 공급될 때의 온도가 높을수록 방출열이 보다 낮은 온도에서 방출될수록 열효율이 증대
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)의 열역학적 분석
열효율 (ηR ) = H3 - H4 H3 - H1 즉, 열효율의 증대는 터빈 입구의 비 엔탈피 H3 가 크고, 복수기 입구의 비엔탈피 H4 가 작아야함
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○ 랭킨 사이클(Rankine cycle)의 열역학적 분석
랭킨 사이클 이론 단열팽창과정(=등엔트로피 팽창과정) 실제의 경우 동작 유체간의 마찰(friction), 주위로의 열 손실, 난동(turbulence)등에 의해 등엔트로피 과정이 될수 없다
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연습문제 ▣ 효율이 좋은 carnot 사이클에서 실현 불가능한 등온 팽창,
압축과정을 정압 팽창, 압축과정으로 대치하여 만든 것이 어떤 사이클인가? 랭킨(Rankine) 사이클 ▣ 한 사이클(cycle)을 이루기 위한 장치을 이루기 위한 장치를 쓰시오. 보일러, 과열기, 재열기, 터빈, 복수기, 급수 펌프 ▣ 이들 시스템 전체를 무엇이라 하는가? 증기 동력 플랜트(증기 원동기) ▣ 실제의 사이클의 경우에는 동작 유체간의 마찰(friction), 난동(turbulence), 주위로의 열 손실 등에 의해 등엔트로피 과정이 될 수 없다.
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감 사 합 니 다 !
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