사이클정리

📃카르노 사이클(CarnotCycle)

등온팽창→단열팽창→등온압축→단열압축

2개의 등온 변화(과정)와 2개의 단열변화(과정=등엔트로피 변화)로 구성된 가역 사이클(실제로 존재하지 않는 이상 사이클)이며 열기관 사이클 중에서 열효율이 최대인 사이클

가역등온과정 : 고온 열저장조와 열교환
가역단열과정 : 작동유체의 온도가 저온에서 고온으로 상승
가역등온과정 : 저온 열저장조와 열교환
가역단열과정 : 작동유체의 온도가 고온에서 저온으로 감소

카르노 사이클 열기관의 열효율

\[\eta_c=\frac{W_{net}}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1}\]

Q1고열원의 열량 Q2저열원의 열량
T1고열원의 온도 T2저열원의온도

카르노 사이클의 손실일

\[W_2=Q_2=\frac{T_2}{T_1}\times Q_1\]

카르노 사이클의 순환 적분 시 등온 상태에서 흡열 방열이 이루어지므로, 가열량과 사이클이 행한 일의 양은 같다.

\[\oint Tds=\oint Pd V\]

📃오토 사이클(Otto)

적용 : 가솔린기관의 기본 사이클
구성 : 2개의 등적과정과 2개의 등엔트로피과정

과정 :

1-2가역 단열(등엔트로피)압축,
2-3가역 정적가열,
3-4가역 단열(등엔트로피)팽창,
4-1가역 정적방열

전기점화기관(불꽃점화기관)의 이상적 사이클이다.

압축비는 노킹현상때문에 제한을 가한다.

열효율

\[\eta_o=\frac{유효한일}{공급열량}=\frac{W}{Q}=\frac{공급열량-방출열량}{공급열량}\] \[=\frac{mC_V(T_3-T_2)-mC_V(T_4-T_1)}{mC_V(T_3-T_2)}\]

\[=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1-(\frac{1}{\epsilon})^{k-1}\]

열효율은 압축비만의 함수이다
열효율은 공금열량과 방출열량, 작동유체의 비열비와 압축비에 의해서 결정된다
열효율은 작동유체의 비열비가 클수록 증가한다
4행정기관은 2행정기관보다 열효율이 높다
카르노사이클의 열효율보다 낮다.

📃디젤사이클

단열압축→정압급열→단열팽창→정적방열

적용 : (저속) 디젤기관의 기본 사이클

과정(디젤기관의 행정순서) :

압축비

\[\epsilon=(\frac{P_2}{P_1})^{\frac{1}{k}}\]

차단비

\[\sigma=\frac{V_3}{V_2}=\frac{T_3}{T_2}=\frac{T_3}{T_1\epsilon^{k-1}}\]

열효율

\[\eta_d=1-(\frac{1}{\epsilon})^{k-1}\times\frac{\sigma^k-1}{k(\sigma-1)}\]

가열(연소)과정은 정압과정으로 이루어진다(일정한 압력에서 열공급을 한다)
일정 체적에서 열을 방출한다
등엔트로피 압축과정이 있다.

📃브레이텐 사이클(Brayton)

단열압축→정압가열(연소)→단열팽창→정압방열(냉각)

적용 : 가스터빈의 기본 사이클

2-3과정, 4-1과정의 압력은 일정하다

정압(등압) 상태에서 흡열(연소)되므로 정압(연소)사이클 또는 등압(연소)사이클이라고도 한다

실제 가스터빈은 개방 사이클이다

증기터빈에 비해 중량당 동력이 크다

공기는 산소를 공급하고 냉각제의 역할을 한다

단위시간당 동작유체의 유량이 많다.

열효율

\[\eta_B=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1-(\frac{1}{\epsilon})^{\frac{k-1}{k}}\]

사바테사이클

고속 디젤기관의 기본사이클

🗄️증기동력 사이클

📃랭킨 사이클

단열압축→정압가열→단열팽창→정압냉각

(증기 사이클 또는 베이퍼 사이클)

적용 : 증기원동기의 증기동력 사이클

랭킨 사이클의 증기 원동기의 순서

펌프(단열압축)→보일러와 과열기(정압가열)
→터빈(단열팽창)→복수기(정압방열)

랭킨 사이클의 열효율

\[\eta_R=\frac{W_{net}}{Q_1}=\frac{h_3-h_4}{h_3-h_1}\]

\[\eta_R=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{h_4-h_1}{h_3-h_2}\]

랭킨사이클의 열효율 향상요인

고대 : 초온, 초압, 보일러 압력, 고온측과 저온측의 온도차, 사이클 최고온도, 과열도(증기가 고온으로과열될수록 출력 증가)

저소 : 응축기(복수기)의 압역(배압)과 온도

재역기를 사용한 재열 사이클(2유체 사이클)에 의한 운전

응축기의 압력을 낮출 때 나타나는 현상

고대 : 이론 열효율이 향상된다

저소 : 터빈출구의 증기건도, 응축기의 포화온도, 응축기 내의 절대압력, 배출열량

랭킨사이클의 특징

랭킨사이틀에도 단점이 존재한다

카르노 사이클에 가깝다

포화수증기를 생산하는 핵동력장치에 가깝다.

절탄기

보일러 본체나 과열기를 가열하고 연도에 남아 흐르는 연소가스의 열을 회수하여 급수를 예열하는 장치

연도가스의 열로 급수를 예열하는 장치

재열사이클

재생사이클

📃냉동 사이클

1)냉동톤[RT]

냉동능력을 나타내는 단위

0도의 물 1톤을 24시간 동안 0도의 얼음으로 만드는 능력

1RT=3320[kcal/h]=3.86[kW]=5.18[PS]

2)냉동기의 냉매가 갖추어야 할 조건

저소 : 응고온도, 액체비열, 비열비, 점도, 표면장력, 증기의 비체적, 포화압력, 응축압력, 절연물 침식성, 가연성, 인화성, 폭발성, 부식성, 누설 시 물품 손상, 악취, 가격

고대 : 임계온도, 증발잠열, 증발압력, 윤활유와의 상용성, 열전도율, 전열작용, 환경친화성, 절연내력, 화학적 안정성, 무해성(무독성), 내부식성, 불활성, 비가연성(내가연성)누설 발견 용이성, 자동운전 용이성

📃역카르노 사이클

이상적인 열기관 사이클인 카르노 사이클을 역작용시킨 사이클
저온측에서 고온측으로 열을 이동시킬 수 있는 사이클
이상적인 냉동 사이클 또는 열펌프 사이클

냉동기 : 저온측을 사용하는 장치

열펌프 : 고온측을 사용하는 장치

사이클과정 : 카르노 사이클과 마찬가지로 2개의 등온과정과 2개의 등엔트로피 과정으로 구성
과정구성 : 1-2등온팽창(증발기), 2-3단열압축(압축기), 3-4등온압축(응축기),4-1단열팽창(팽창밸브)

성능계수(성적계수) : 냉동효과 또는 여펌프 효과의 척도로 냉동 사이클중에서 성능계수가 가장 크며 성능계수를 최대로 하기 위해서는 고온열원의 온도차를 작게 하거나 저온열원의 온도(냉동기)또는 고온열원의 온도(열펌프)를 높게 하여야 한다

-냉동기의 성능계수 : 냉동 사이클에 대한 성능계수는 저온측에서 흡수한 열량을 해 준 일로 나누어 준 값

\[(COP)_R=\epsilon_R=\frac{저온체에서의 흡수열량}{공급일}=\frac{q_2}{W_c}=\frac{T_2}{T_1-T_2}=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_1}\]

-열펌프의 성능계수

\[(COP)_H=\epsilon_H=\frac{고온체에서의 흡수열량}{공급일}=\frac{고온부방출열}{입력일}\]

\[=\frac{q_1}{W_c}=\frac{T_1}{T_1-T_2}=\frac{응축열}{압축일}=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_1}=\epsilon_R+1\]

-전체 성능계수

\[\epsilon_T=\epsilon_R+\epsilon_H=2\epsilon_R+1\]

-냉난방겸용의 열펌프 사이클 구성 주요요소 : 전기 구동압축기, 4방벨브, 전자팽창밸브 등

📃역랭킨 사이클

증기압축 냉동 사이클(가장 많이 사용되는 냉동 사이클)에 적용
역카르노 사이클 중 실현이 곤란한 단열과정(등엔트로피 팽창과정)을 교축팽창시켜 실용화한 사이클
증발된 증기가 흡수한 열량은 역카르노 사이클에 의하여 증기를 압축하고 고온의 열원에서 방출하는 사이클 사이에 액체와 기체상태의 두 상으로 변하는 물질을 냉매로 하는 냉동사이클
과정구성 : 1-2 단열압축(압축기) 2-3등압방열 (응축기) 3-4교축 (팽창밸브) 4-1등온등압(증발기)

-압축과정 : 기체상태의 냉매가 단열압축되어 고온 고압의 상태가 되며 등엔트로피 과정이다

-응축과정 냉매의 압력이 일정하며 주위의 열방출을 통해 냉매가 포화액으로 변한다

-팽창과정 대부분 등엔탈피 팽창을 한다

-증발과정 일정한 압력 상태에서 저온부로부터 열을 공급받아 냉매가 증발한다

T-S곡선에서 수직선으로 나타내는 과정 1-2과정
4개의 중요기기 압축기 응축기 압력강하장치 증발기
흡입열량(냉동효과)

\[q_2=h_1-h_4\]

냉동능력(응축열량 또는 방출열량)

\[q_1=q_2+W_c=(h_1-h_4)+(h_2-h_1)\] \[=h_2-h_4=h_2-h_3\]

압축기에 필요한 일 (단열압축)

\[W_c=h_2-h_1\]

성능계수

\[(COP)_R=\epsilon_R=\frac{흡수열}{받은일}=\frac{q_2}{W_c}=\frac{q_2}{q_1-q_2}\] \[=\frac{T_2}{T_1-T_2}=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}\]

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