열역학 10장

열역학 10장 - Vapor and Combined Power Cycles

열역학 10장에서는
열역학 사이클 중 증기 사이클 및 가스&증기 혼합 사이클에 대해 서술한다.

먼저 사이클을 각 기준에 따라 분류한다.

Power cycle vs Refrigeration cycle
Gas cycle vs Vapor cycle

증기 사이클의 종류

랜킨 사이클, 재열 랜킨 사이클, 재생산 랜킨 사이클, cogeneration

가스-증기 혼합 사이클

열역학 10장 목차

1. The Carnot vapor cycle
2. Rankin cycle: The ideal cycle for vapor power cycles
3. Deviation of actual vapor power cycles from idealized ones
4. How can we increase the efficiency of the rankine cycle?
5. The ideal reheat rankine cycle
6. The ideal regenerate rankine cycle
7. 생략
8. Cogeneration
9. Combined gas-vapor power cycles

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0. Cycle의 분류

• 열역학적 사이클은 용도에 따라 아래의 두가지로 나뉜다.
  • Power cycle: 정미일을 생산하는 엔진이 수행하는 사이클(9장, 10장)
  • Refrigeration cycle: 냉각 효과를 만드는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등이 수행하는 사이클(11장)
• Power cycle은 작동 유체의 phase에 따라 아래의 두가지로 나뉜다.
  • Gas cycle: 작동 유체가 사이클의 전체 과정에서 가스 상을 유지(9장)
  • Vapor cycle: 작동 유체가 사이클의 일부 과정에서는 vapor이지만, 다른 과정에선 liquid(10장)
    • cf. Gas vs Vapor: 둘 다 기체상이지만, gas는 상온에서도 기체이고, vapor는 상온에서는 액체, 고체인 물질을 칭한다.

1. The Carnot vapor cycle

• 증기 사이클은 작동 유체의 상이 액체, 기체로 변하므로, T-s 선도에서 포화선(saturated line)을 고려해야한다.
• 증기 사이클의 경우에도 카르노 사이클이 가장 이상적인 사이클일 것이다.
  1. 카르노 사이클의 T-s 선도가 포화선 밑에 있을 경우
     • 최고 온도 한계(열효율 한계)
     • Turbine에 액체 있으면 안됨
     • Condenser로 특정 건도를 맞추기는 힘듦
  2. 카르노 사이클의 T-s 선도가 포화선도에 반반 걸치는 경우?
     • 고압에서 등엔트로피 수축이 일어나긴 힘들다.
     • 상당한 고압, 고온의 플라즈마 상태를 거쳐야 하므로, 현실적으로 다루기 어렵다.
     • 열 유입될 때 압력이 일정하지 않고 계속 변화한다. 이 또한 현실적으로 어렵다.

2. Rankine cycle: The ideal cycle for vapor power cycles

• 앞서 다룬 것에 따르면, 카르노 사이클은 vapor cycle의 이상적 모델로 부적합하다.
• 문제점들을 회피하여 설계 가능한 가상 이상적인 vapor cycle이 바로 Rankine cycle이다.
• 이때 사용한 회피 방법이란?
  1. 보일러에서 열유입할 때 완전히 superheated vapor로 만들기
  2. 응축기에서 열방출할 때 완전히 compressed liquid로 만들기
  3. 고온 고압, 변동 압력의 플라즈마 상태를 회피하기 위해 일정 압력을 따라 보일러에서 가열(포화선을 관통)
• Rankine cycle의 4과정
  1. 등엔트로피 압축(펌프)
  2. 등압 열유입(보일러)
  3. 등엔트로피 팽창(터빈)
  4. 등압 열방출(컨덴서)
• Rankine cycle의 T-s 선도

  그림 추가 1

• Rankine cycle의 열효율

  그림 추가 2 (유도)

3. Deviation of actual vapor power cycles from idealized ones

• 실제 사이클은 Rankine cycle(ideal case)와 어떻게 다를까?

  그림 추가 3 (T-s 선도)

4. How can we increase efficiency of the Rankine cycle?

• Rankine cycle의 효율을 높이는 3가지 방법
  1. 컨덴서 압력을 낮춘다. (=$T_L$ 낮추기)
  2. 증기를 과열시킨다. (=$T_H$ 높이기)
  3. 보일러 압력을 높인다. (=$T_H$ 높이기)

5. The ideal reheat Rankine cycle

• Brayton cycle과 마찬가지로, reheater를 사용한 경우(= 보일러 한개 추가)

6. The ideal regenerative Rankine cycle

• 2단으로 구성하여 첫번째 단에서 방출된 열을 두번째 단에서 사용
  • Open feed / Closed feed 두 종류가 있음

8. Cogeneration

9. Combined gas-vapor power cycles