공조냉동기계기사(3)

열역학 3법칙

 네른스트는 어떤 방법으로도 물체의 온도를 절대 영도까지 내릴 수 없다고 표현했다. 이것을 네른스트의 열 정리라고 하며 열역학 제3법칙이다. 플랭크는 모든 완전한 결정체의 온도가 절대 영도에 접근함에 따라 엔트로피도 zero에 접근한다고 표현했다. 즉, 완전한 결정체의 엔트로피는 절대 영도에서또한 이 법칙에 의하면 비열은 절대 영도에서이 되어야 한다. 어떤 물질의 임의의 온도에서의 엔트로피의 절대치 S는 0K를 기준으로 하여 식을 정의한다. 열역학 제3법칙은 엔트로피를 정리한 법칙이라고 생각해도 무방하다. 그리고 부가적으로 엔트로피는 늘어나는 방향으로 진행되는 게 자연스럽다. 즉, 질서에서 무질서로 간다고 생각하면 된다.

 

증기

 기체는 실용상으로 가스와 증기로 구별하지만 본질적으로 구분하는 것이 아니고 편의상 공업적으로 구분한다. 가스는 열에너지를 수수하여도 쉽게 액화되거나 증발하지 않는 상태의 기체를 말하고, 열에너지를 수수하면 쉽게 액화나 증발이 되는 기체를 증기라고 한다. 물이 증발한 기체 상태를 수증기라 하며 앞으로는 특별히 구분치 않고 증기라 하면 수증기를 가리키는 것으로 한다. 일반적으로 가스는 완전 가스 즉, 이상기체로 취급하여도 무방하지만 증기는 완전 가스와 같이 간단한 상태식으로는 나타낼 수 없으며 실험에 기초한 근사식이나 증기표를 이용하는 것이 보편적이다. 증발과정은 액체 -> 포화액 -> 습증기 -> 건포화증기 -> 과열증기 의 단계를 거친다. 

 

유체의 연속 방정식

 관로에서 흐르는 유체 유동은 각 단면에 대하여 직각이라고 생각하고 이 단면을 거쳐나가는 유동은 연속적이며 또한 층류라고 한다. 같은 단면 위에서는 모든 점에서 압력, 비체적 및 유속이 같다고 한다. 유체는 유로를 완전히 충만하여 흐르며 단위 시간에 각 단면을 흐르는 유량은 항상 일정하다. 정상류의 일반 에너지식을 구할 때는 에너지의 총량이 보존된다는 에너지 보존 법칙을 적용시켜 식을 정리한다.

 

증기 동력 사이클

 랭킨 사이클은 2개의 단열, 2개의 정압 과정으로 이루어진 증기 동력 이상 사이클이며, 급수 펌프로 가압된 고압의 물을 보일러로 공급, 보일러와 과열기에서 가열되면 과열 증기가 되어 노즐을 통해 터빈에서 분출되면서 일을 발생하게 된다. 일을 한 습증기는 복수기에서 냉각 응축되어 펌프에 의해 다시 보일러로 보내진다.

 급수 펌프에서 단열 압축 과정 -> 보일러에서 정압 가열 과정 -> 과열기에서 정압가열 과정 -> 터빈에서 단열 팽창 과정 -> 복수기에서 정압 방열 과정으로 진행된다.

 

재열 사이클

 랭킨 사이클에 재열기를 설치하여 습증기에 의한 터빈 부식 및 효율의 저하를 방지한 사이클로써, 급수 펌프에서 단열 압축 과정 -> 보일러에서 정압 가열 과정 -> 과열기에서 정압가열 과정 -> 고압 터빈에서 단열 팽창 과정 -> 재열기에서 정압 가열 과정 -> 저압 터빈에서 단열 팽창 과정 -> 복수기에서 정압 방열 과정으로 진행된다.

 

재생 사이클

 복수기에서 버려지는 열을 줄이고 터빈에서 팽창 도중 일부의 증기를 뽑아서 급수를 예열시킴으로써 보일러 효율을 향상시킨 사이클이다. 제2급수 펌프에서 단열 압축 과정 -> 보일러에서 정압 가열 과정 -> 과열기에서 정압가열 과정 -> 터빈에서 단열 팽창 과정 -> 복수기에서 증기 (1-m) kg이 정압 하에서 방열 과정 -> 제1급수 펌프에서 단열 압축 과정 -> 급수가열기에서 정압 하에 (1-m) + m 이 되며 가열되는 과정 -> 급수가열기에서 추기량 m의 정압 방열 과정으로 이루어져 있다.