Intro
안녕하세요, 제하공제입니다.
지난 시간,
열교환기 계산 예제를 통해,
처음으로 공정 설계에서의
열역학 계산을 수행해 보았습니다.
공급하는 열에너지를 통해
에너지변화량을 계산한 후,
최종 출구 온도를
예측해 보는 문제였습니다.
열교환기는
공정에서 우리가 원하는
온도를 맞춰주는 역할을 하게 되죠.
이번 시간에는
공정의 기체 압력을 결정하는
압축기(Compressor)의
공정계산을 기준으로 하여,
공정에서 우리가 원하는
압력을 맞춰주는 장비들에 대해
배워보도록 하겠습니다.
압축기 (Compressor)
압축기는
공정 흐름 내 기체의 요구 압력 변화(압축)와
이에 따른 내부 에너지 상승에 필요한
일(W)을 투입해야 하는
공정 장치입니다.
이와 반대로, 팽창기는
기체가 가진 높은 압력의 내부에너지를
에너지 감압을 통해 일(W)로 전환함으로써,
생산일(W)을 얻을 수 있는
공정 장치입니다.
해당 유체가 비압축성 유체인
액체의 경우,
해당 유체의 압력 상승과 이송을 위해
일(W)을 투입해야 하는
장치가 펌프입니다.
이들 장치의 공정 흐름 계산 특징은
다음과 같습니다.
1) 흐름 공정 간 열(Q) 전달이 없다.
2) 오직 일(W)의 투입과 생산에 대해
공정 방정식을 전개한다.
3) 따라서, 엔탈피(에너지) 수지식은
아래 슬라이드와 같이 정의한다.
풀어서 설명하자면,
에너지 평형식에서의
압축, 팽창 계산은
Q(열) 항이 Zero 가 되고,
오로지 W(일)에 대한
에너지 수지식을
풀게 된다는 뜻입니다.
그렇다면,
압축, 팽창 과정에서의
온도변화는
어떻게 변하는지 궁금하실 텐데요.
아래 슬라이드를 통해
설명해 보겠습니다.
위 TS선도 및 PH선도를 참고하면,
기체상의 유체를
압축/팽창할 경우
상당한 온도 변화가 발생함을
확인할 수 있으며,
이것은,
장치의 효율이 낮으면 낮을수록
손실되는 에너지가 증가하고
온도 변화가 더 크게 발생하게 된다는 것입니다.
여기서 장치의 효율이란,
우리가 공급하는 일(W) 에너지를
유체의 압력을 높이는데
얼마나 시용할 수 있는지
그 능력 비율이라고 생각할 수 있습니다.
다시 말해,
에너지 전환 효율이 떨어진다는 것은
그만큼 손실되는 에너지가 많다는 뜻이고,
이런 손실 에너지는
마찰열로서,
결국에는 유체의 온도를
높이는 데 사용되어
온도 변화가 발생하게 됩니다.
Significant gas/vapour heating occurs in a compressor!
if the efficiency of the compressor is low.
이러한 온도변화에서 나타나는
에너지 손실은
장치의 비가역성을 나타낼 수 있습니다.
장치의 비가역성과
효율에 대해서는 이전
포스팅에서 자세하게 다뤘으니,
참고 바랍니다.
2023.02.15 - [분류 전체 보기] - Ep13. 열역학 2법칙과 엔트로피(S)-2
Ep13. 열역학2법칙과 엔트로피(S)-2
Intro 안녕하세요, 제하공제입니다. 지난 시간내용을 정리하면, '에너지가 보존된다'는 열역학 1법칙에 더해, 열역학 2법칙은 에너지가 어떤 방향으로 자연스럽게 흘러갈 것인지 방향성에 대해 알
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따라서,
압력을 다루는
압축기, 팽창기, 펌프에서는
위에서 언급한 3가지의 장치 특성에 추가하여
이상적인 일(Wideal)과
실제 투입 또는 생산되는 일(Ws)에 대한
장치 효율 특성을 고려하는 것이 중요합니다.
압축기(Copressor) 공정 계산
이상적인 일에 대한 공정계산은
실제 공정과 동일한
압력의 증가 및 감소를
나타내는
등엔트로피 가역 공정으로
계산할 수 있습니다.
이는 장치 특성 첫 번째,
단열조건(dQ=0)이 갖는 특징이며
장치를 들어오고 나가는
유체의 엔트로피(dS=dQ/T=0)가
동일함을 나타냅니다.
따라서,
설계자는 아래의 두 가지 장치 특성을
고려해야 합니다.
1) 압축의 경우,
이상 가역 공정의 투입 최소 일(Wideal)이
실제 비가역 요구 일(Ws) 보다 작다.
이 경우,
최종 투입 해야 하는 일(Ws)의 양은
이상적인 일(Wideal)을
장치 효율로 나눠서 계산한다.
2) 반대로 팽창의 경우,
가역 이상 공정의 최대 일(Wideal)은
실제로 생산되는 일(Ws) 보다 크다.
따라서,
실제 생산되는 일(Ws)의 양은
이상적인 일에
장치 효율을 곱하여 계산한다.
글이 길어지는 관계로,
다음시간에 이어가도록 하겠습니다.
간단한 공정예제를 통해
압축기의 이상적인 일과
실제 요구되는 투입 일의
공정 계산을
수행합니다.
열(dQ=0)의 출입이 없으므로
등엔트로피(dS=0) 과정으로
설계되는 압축기의 경우,
비가역적 에너지 손실 의해
실제 요구 일 에너지(Ws)는
이상적인 요구 일(Wideal)보다
더 큰 값을 가진다고 했습니다.
이러한 실제 일 에너지를 구하기 위해
어떠한 공정계산 과정을 거치게 되는지,
그리고,
최종적으로 압축기를 빠져나가는
유체의 온도는
어떻게 계산하는지
직접 예제를 풀어보면서
이해할 수 있을 것입니다.
그럼 다음시간에 뵙도록 하겠습니다.
감사합니다.
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