2021/01/26 - [자격증 준비] - 공조냉동기계기사 - 공기가 받는일 / 압축 후 온도/ 준평형 정적과정/성적계수
공조냉동기계기사 - 공기가 받는일 / 압축 후 온도/ 준평형 정적과정/성적계수
공조냉동기계기사 - 제 1과목 : 기계 열역학 1. 공기가 받는일 공기가 받는 일의 식은 아래와 같다. 여기서, 시스템이 외부로 일을 하면 (+), 시스템이 외부로부터 일을 받으면 (-) 가 된다. 공기가
bestsafety.tistory.com
1. 과정
(1) 과정 (Process)
처음 상태에서 나중 상태로 바귀어 가는 것으로 시스템이 변화하는 상태의 연속적인 경로
(2) 가역 과정
어떤 계가 외부에 아무런 변화를 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아 올 수 있는 현상
*계 란 ? : 연구 대상이 되는 일정량의 물질이나 공간의 어떤 구역
(3) 비가역 과정
어떤 현상이 한쪽 방향으로 저절로 일어나지만, 다시 원래의 상태로 되돌아갈 수 없는 현상.
자연계에서 일어나는 대부분의 변화는 비가역 현상으로 자연 현상에 일정한 진행 방향이 있음을 알 수 있다.
(4) 등(정)적 과정
과정 중 체적 또는 비체적이 일정한 과정
(5) 등(정)압 과정
과정 중 압력이 일정한 과정
(6) 등(정)온 과정
과정 중 온도가 일정한 과정
(7) 단열과정
과정 중 열 출입이 없는 과정
(8) 정상 유동 과정
과정 중 계의 각 점에서 시간에 따라 성질이 변화하지 않는 과정
(9) 준평형 과정
과정이 진행되는 동안 계가 평형 상태에 무한히 근접하여 유지되고 있을 때의 과정 (피스톤이 저속으로 움직이는 과정)
2. 사이클
- 계의 상태가 다시 처음 상태로 돌아오는 과정
- 열기관, 냉동기 등에서 동작물질이 어떤 상태에서 출발하여 여러 가지 상태변화를 거치고 원래의 상태로 복귀할 때의 일련의 과정.
- 종류는 아래와 같다.
(1) 카르노 사이클
(2) 오토 사이클
(3) 디젤 사이클
(4) 사바테 사이클
(5) 가스터빈 사이클
(6) 브리에턴 사이클
(7) 에릭슨 사이클
(8) 스털링 사이클
(9) 아트킨슨 사이클
(10) 르노아 사이클
(11) 랭킨 사이클
(12) 재열 사이클
(13) 재생 사이클
(14) 재생 재열 사이클
(15) 역카르노 사이클
(16) 냉동 사이클
(17) 공기 냉동 사이클 (역브레이턴 사이클)
2-1 카르노 사이클
열기관 중 가장 열효율이 좋은 가역사이클로서 두 개의 등온변화, 두 개의 단열변화로 구성된 사이클
(고온에서 열기관을 통해 저온으로 열이동)
(1) 카르노의 정리
두 열원 사이에서 작동하는 열기관 중 같은 두 열원 사이에서 작동하는 카르노 기관보다 더 효율적인 실제 기관은 없다.
- Q1= 고열원에서 받는열
- Q2= 무효 에너지
- T1= 고열원의 온도
- T2 = 저열원의 온도
- S = 엔트로피 - 열에너지를 이용하여 기계적 일을 하는 과정에서 열의 이용 가치를 나타내는 종량적 성질
- C = 비열 - 질량 1kg인 물질의 온도를 섭시 1도 상승시키는데 필요한 열량
(2) 카르노 사이클의 효율
카르노 사이클의 효율 Nc= W/Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = 1- Q2/Q1 = 1- TL/TH
카르노 사이클의 효율을 높일려면
- 고열원의 온도(TH)가 높아야 한다.
- 저열원의 온도(TL)가 낮아야 한다.
- 동작물질의 밀도가 작어야 한다 (마찰이 덜 생기게 하기 위해서)
- 1 → 2 등온 팽창 : 고온에서 열(Q1)을 흡수
- 2 → 3 단열 팽창 : 고온에서 저온으로 온도 강하
- 3 → 4 등온 압축 : 저온에서 열(Q2)을 방출
- 4 → 1 단열 압축 : 저온에서 고온으로 온도 상승
- 유효 에너지 (Qa)와 무효 에너지 (Q2), 받는 에너지 (Q1)
고열원 TH 에서 열량 Q1을 받아 저열원 TL 로 열량 Q2를 버리면서 일을 하는 카르노 사이클이 있다.
이때, 유효하게 사용용된 열은 Qa = Q1-Q2 이다.
이렇게 유효하게 사용되는 에너지를 유효에너지라 하고 버리는 열 Q2를 무효에너지 라고 한다.
(3) 카르노 사이클의 성질
- 같은 두 열 저장소 사이에서 작동되는 열기관 중에 외부적으로 가역인 열기관의 열효율이 가장 좋다.
- 같은 두 열 저장소 사이에서 작동되는 외부적 가역기관의 열효율은 서로 같다.
- 열효율은 동작물질과 관계가 없으며 두 열 저장소의 온도에만 관계된다.
2-2 오토 사이클
가스 동력 사이클의 하나로 전기점화기관의 공기표준사이클, 2개의 단열과정과 2개의 정적과정으로 구성되어 있다.
(1) 오토 사이클의 효율
오토 사이클의 열효율은 압축비의 함수이고 압축비가 클수록 효율은 증가한다.
- 오토 사이클의 효율은 압축비와 비열비 값의 의해 결정된다.
그런데, 작동물질의 종류에 따라 비열비는 고정되는 값이므로 압축비가 사이클의 효율을 좌우하게 된다.
즉, 압축비가 커질수록 효율은 증가한다 (압축비의 제한 : 노킹 현상)
- 노킹 : 내연기관에서 연소조건이 가혹 할 때 발생하는 비정상적 연소를 말한다.
실린더 벽을 때리는 듯한 금속성 음이 발생, 엔진출력 저하, 효율 저하
- 가솔린기관의 경우 압축비는 5~10 정도 범위로 제한 된다.
- 1 → 2 단열 압축
- 2 → 3 등적가열 (폭발과정)
- 3 → 4 단열팽창
- 4 → 1 등적방열
2-3 디젤 사이클
(1) 디젤 기관의 공기표준사이클
- 압축비 증가에 따른 이상연소를 개선하여 효율을 증대시키는 사이클
- 공기를 압축시킨 다음 연료를 분사하면 압축공기의 온도에 의해 자체 연소 시작
- 2개의 단열과정과 정압 및 정적과정 각 1개로 구성
- 1 → 2 단열 압축
- 2 → 3 등압 가열 (연소과정)
- 3 → 4 단열 팽창
- 4 → 1 등적 방열
(2) 디젤 사이클의 효율
디젤 사이클의 열효율은 압축비, 체절비의 함수이다.
이론적으로는 오토사이클의 효울이 같은 조건에서의 디젤사이클 보다 높다.
그러나 오토사이클에는 압축비의 제한이 있어서 디젤사이클이 더 높은 압축비에서 운전되므로 실제의 사용 효율은 디젤사이클이 더 높다.
2-4 사바테 사이클
(1) 과정 설명
사바테 사이클은 2개의 단열과정과, 2개의 정적과정, 1개의 정압과정으로 구성된 복합사이클로 고속 디젤기관의 기본 사이클이다.
- 1 → 2 단열압축
- 2 → 3' 등적가열
- 3' → 3 등압가열
- 3 → 4 단열팽창
- 4 → 1 등적방열
(1) 사바테 사이클의 열효율
2-5 가스터빈 사이클
2-6 브리에턴 사이클
두 개의 단열과정과 두 개의 등압과정으로 이루어진 사이클로 가스 터빈의 이상적 사이클이다.
(1) 과정 설명
- 1 → 2 단열 압축 (압축기)
- 2 → 3 정압 가열 (연소기)
- 3 → 4 단열 팽창 (터빈)
- 4 → 1 정압 방열
(2) 브레이턴 사이클의 열효율
브레이턴 사이클의 열효율은 압력비 만의 사이클이다.
2-7 에릭슨 사이클
(1) 에릭슨 사이클의 과정
2개의 등온과정과 2개의 정압과정으로 구성된 가스터빈의 이상 사이클로 실현 곤란한 사이클이다.
- 1 → 2 등온 압축
- 2 → 3 정압 연소
- 3 → 4 등온 팽창
- 4 → 1 정압 배기
2-8 스털링 사이클
두 개의 정적과정과 두 개의 등온과정으로 구성되어 있으며 체적 변화를 최소로 유지할 수 있다.
또 역스털링 사이클은 헬륨을 냉매로 하는 극저온용 가스 냉동기의 기준 사이클이 된다.
- 1 → 2 등온 압축
- 2 → 3 정적 연소
- 3 → 4 등온 팽창
- 4 → 1 정적 배기
2-9 아트킨슨 사이클
- 1 → 2 등온 수축
- 2 → 3 정적 연소
- 3 → 4 등온 팽창
- 4 → 1 정압 배기
2-10 르노아 사이클
1개의 정압과정과 1개의 정적과정으로 이루어진 르노아 사이클은 동작 물질의 압축과정이 없으며 정적하에서 급열되어 압력이 상승한 후 기체가 팽창하면서 일을 하고 정압하에서 방출한다.
- 1 → 2 정적 압축
- 2 → 3 단열 팽창
- 3 → 1 정압 배기
2-11 랭킨 사이클
2개의 정압변화와 2개의 단열변화로 구성된 사이클로 증기 사이클, 베이퍼 사이클이라고도 한다.
급수 펌프로 가압된 고압의 물이 보일러로 공급, 연소장치에 의해 가열되면 과열 증기가 되어 노즐을 통해 터빈에 가해지면서 일을 발생하게 된다.
일을 한 습증기는 복수기에 의해 냉각되어 펌프에 의해 순환과정을 반복하게 된다.
이때 형성되는 사이클이 랭킨 사이이클이고, 증기 동력 사이클의 이상사이클이다.
(1) 과정 설명
급수펌프 → 1 →보일러(정압가열 : 압축액 →포화액 →건포화증기 →과열증기) →2 →터빈 (단열팽창 : 과열증기 →습증기) →3 → 응축기 (정압방열 : 습증기 →포화액) → 4 → 급수펌프(단열압축 : 저압의 포화액 →압축액) → 반복순환
- 1 → 2 가역 정압열전달 과정 (보일러)
- 2 → 3 가역 단열팽창 과정 (터빈)
- 3 → 4 가역 정압열전달 과정 (콘덴서)
- 4 → 1 가역 단열압축 과정 (펌프)
(2) 랭킨 사이클 효율
- 증기터빈 입구 증기의 압력과 온도를 높이면 효율이 증가한다.
- 배기 압력과 배기 온도를 낮추면 효율이 증가한다.
- 과열증기를 사용하면 효율이 증가한다 (터빈부식을 방지하지만 복수기 용량이 커진다).
- 랭킨 사이클의 효율은 터빈의구의 온도(과열도)와 압력을 높게 하거나 터빈 출구 배압(응축온도)을 낮게 할수록 증가한다.
(3) 펌프일을 고려한 사이클 열효율
(4) 펌프일을 무시한 열효율
펌프일은 터빈일에 비하여 대단히 적기 때문에 펌프일을 무시하여 열효율을 구하면 아래와 같다.
2-12 재열 사이클
랭킨 사이클에서 터빈 입구에서의 증기 온도와 압력이 높을수록 또는 복수기압력이 낮을수록 효율이 증가하지만 습증기에 의해 터빈부식 및 효율이 낮아지는 문제점이 발생하기 때문에 재열기를 설치하여 증기의 초압을 높이면서 팽창 후의 증기의 건조도가 낮아지지 않도록 보완한 사이클이다.
터빈의 복수장해를 방지하여 기계의 수명을 연장 시킬 수 있다.
(1) 과정 설명
급수 펌프 → 1 → 보일러 (정압기열 : 압축액 → 포화액 → 건포화증기 → 과열증기)
→ 2 → 고압터빈 (단열팽창 : 고압의 과열증기 →중간압의 포화증기) → 3 → 재열기(정압기열: 중간압력의 포화증기 → 중간압의 과열증기) → 4 →저압터빈 ( 단열팽창 :증기압의 과열증기 → 저압의 습증기) → 5 → 응축기 (정압방열 :습증기 →포화액)→6 → 급수폄프 (정적압축 : 저압의 포화액 → 압축액) →반복순환
(2) 펌프일을 고려한 사이클 효율
(3) 펌프일을 무시한 사이클 효율
2-13 재생 사이클
랭킨사이클에서 복수기에 의한 손실을 최소화하기 위한 사이클로, 터빈 내에서 팽창 도중 증기의 일부를 추출해서 급수의 가열에 사용하여 보일러 효율을 상승시키는 사이클
- 이상 재생 사이클은 비현실이다.
그 이유는 터빈 내 증기에서 액체로 필요한 열전달을 하는 것이 불가능할 뿐만 아니라 열전달 결과로 터빈 출구에서 증기의 습분이 현저하게 증가하기 때문이다.
(1) 재생 사이클 효율
2-14 재생 재열 사이클
재생사이클과 재열사이클을 혼합하여 이용하게 되면 재생에 의한 열효율 개선과 재열사이클의 목적인 터빈 출구에서 건도를 높일 수 있어 기계수명을 증가시킬 수 있다.
재생의 효과와 재열의 화과를 동시에 만족시켜주기 위해 결합시긴 사이클을 재열, 재열 사이클이라 한다.
(1) 재생 재열 사이클의 열효율
2-15 역카르노 사이클
카르노 사이클은 열기관의 이상적 사이클로서 두 개의 등온과정과 두 개의 단열과정으로 구성된 가역사이클이다.
이 사이클의 역사이클을 역카르노 사이클이라고 하며 냉동 사이클의 이상 사이클이다.
(1) 역카르노 사이클의 과정
- 2 → 3 증발기 : 등온과정으로 저열원 T2에서 q2 열을 흡수
- 3 → 4 압축기 : 단열압축으로 저열원 T2에서 고열원 T1로 온도상승, W 공급
- 4 → 1 응축기 : 등온방열과정으로 T1에서 q1의 열을 방출
- 1 → 2 팽창밸브 : 단열팽창으로 고열원 T1에서 저열원 T2로 온도는 낮아지나 엔탈피는 변하지 않는다.
(2) 냉동기의 성적 계수
(3) 열펌프의 성적계수
2-16 냉동 사이클
- 1 → 2 압축기 : 단열압축과정 (등엔트로피 과정)
- 2 → 3 응축기 : 정압방열
- 3 → 4 팽창밸브 : 교축과정 (등엔팔피 과정)
- 4 → 1 증발기 : 등온, 등압 과정 (흡열)
(2) 냉동 사이클 성적 계수 (냉동시스템의 성능)
증발기의 온도가 높을수록 성적계수는 증가하고 낮을수록 성적계수는 감소한다.
(3) 열펌프의 성적계수 (열펌프의 성능)
2-17 공기 냉동 사이클 (역브레이턴 사이클)
2개의 등압과정과 2개의 단열과정으로 구성된 사이클로 일량에 비해 냉동효과가 적어 잘 사용되지 않는다.
(1) 과정 설명
- 1 → 2 단열팽창
- 2 → 3 등압흡열
- 3 → 4 단열압축
- 4 → 1 등압방출
(2) 공기 냉동 사이클 성적계수
제가 사용하는 공부하는 교제 정보 입니다. 아래 그림 누루면 쿠팡에서 확인 가능
굉장히 두껍습니다. 과년도는 15년도 부터 20년도까지 있으며, 앞 쪽에 여러 문제들이 많습니다.
[해당 게시글은 쿠팡파트너스 활동의 일환으로 게시자에게 수익금이 발생할 수 있습니다]
'일상 생활 > 자격증 준비' 카테고리의 다른 글
| 토익 스피킹 개요 - 파트별 내용과 핵심 (0) | 2021.08.17 |
|---|---|
| 공조냉동기계기사 - 공기가 받는일 / 압축 후 온도/ 준평형 정적과정/성적계수 (0) | 2021.01.26 |
| 공조냉동기계기사 - 출제 범위 (필기) (0) | 2021.01.25 |
댓글