【열역학】 9강. 기체동력사이클

9강. 기체동력사이클

 

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1. 동력 사이클의 해석에서 기본적 고려사항 [본문]

2. 카르노사이클과 그 공학적 가치 [본문]

3. 공기 표준 가정 [본문]

4. 왕복기관의 개요 [본문]

5. 오토사이클 [본문]

6. 디젤사이클 (저속 디젤사이클) [본문]

7. 사바테 사이클 (고속 디젤사이클) [본문]

8. 브레이튼 사이클 [본문]

9. 재생 브레이튼 사이클 [본문]

10. 중간 냉각, 재열, 그리고 재생이 있는 브레이튼 사이클 [본문]

11. 이상적 제트추진사이클 [본문]

12. 기타 사이클 [본문]

13. 기체동력사이클의 제2법칙 해석 [본문]

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1. 동력 사이클의 해석에서 기본적 고려사항 [목차]

⑴ 열효율(thermal efficiency, η_th)

 

 

⑵ 동력사이클의 해석에서 보통 이용되는 이상화 및 단순화는 다음과 같이 요약됨

① 사이클은 어떤 마찰도 없음; 그러므로 작동유체가 관 또는 열교환기와 같은 장치를 통과시 마찰의 영향이 없음

② 모든 압축과 팽창 과정은 준평형 과정으로 진행

③ 시스템의 여러 구성품을 연결하는 관은 잘 단열되어 있어서 열전달을 무시할 수 있음

④ 운동 및 위치에너지의 변화는 무시 (엔탈피 항에 비해 매우 작아서)

○ 운동에너지의 변화가 큰 유일한 장치는 노즐과 디퓨저임

⑤ 이상적 동력사이클은 어떠한 내적 비가역성도 포함하고 있지 않으며, 따라서 열전달만 엔트로피를 변화시킴

⑶ 상대압력(relative pressure)

① 동력사이클은 대체로 등엔트로피 과정을 포함하고, 이 경우 상대압력이 유용하게 사용됨

② 수식화

 

 

⑷ 랭킨 사이클의 경우 정상유동시스템에 적합한 식이 사용되고, 오토 사이클의 경우 밀폐계에 적합한 식이 사용됨

 

 

2. 카르노사이클(Carnot cycle) : 이상기체를 이용한 이상 사이클 [목차]

⑴ 구성 : 가역 등온과정, 등엔트로피 팽창, 가역 등온방열, 등엔트로피 압축

 

Figure. 1. 카르노 사이클

 

⑵ 열효율

 

 

⑶ 카르노사이클은 매우 큰 열교환기와 매우 긴 시간을 요구하므로 실용적이지 못함

⑷ 카르노사이클은 실제 열기관의 표준이 될 수 있음

 

 

3. 공기 표준 가정(air-standard assumption) [목차]

⑴ 작동유체 (동작유체) : 계 내에서 에너지를 저장 또는 운반하는 물질

① 상 변화를 잘 일으켜야 함

② 열에 의하여 압력이나 체적이 쉽게 변해야 함

③ 예 : 증기기관의 수증기, 내연기관의 연료와 공기의 혼합가스

⑵ 공기 : 밀폐회로를 연속적으로 순환하며 항상 이상기체로 거동

⑶ 사이클을 구성하는 모든 과정은 내적 가역

⑷ 연소과정은 외부 열원에 의한 과정으로 대체됨

⑸ 배기과정은 작동유체가 초기상태로 복원되는 방열과정으로 대체됨

⑹ 공기는 일정한 비열을 가지고 있고, 그 값은 25 ℃에서 구해진 값임 (cf. 냉공기표준가정, 공기표준 사이클)

 

 

4. 왕복기관의 개요 [목차]

⑴ 상사점(top dead center) : 실린더 내의 체적이 최소가 되는 지점

⑵ 하사점(bottom dead center) : 실린더 내의 체적이 최대가 되는 지점

⑶ 행정(stroke) : 상사점과 하사점 사이의 거리

⑷ 보어(bore) : 피스톤의 직경

⑸ 공기 or 공기-연료 혼합기는 흡기밸브를 통해 유입되고, 연소 생성물은 배기밸브를 통해 배출

⑹ 간극체적(clearance volume) : 피스톤이 상사점에 있을 때의 체적

⑺ 배기량(displacement volume) : 피스톤이 하사점과 상사점 사이를 움직일 때 피스톤이 밀어낸 체적

⑻ 압축비(compression ratio) : 최대 최적과 최소 체적의 비

⑼ 평균유효압력(MEP, mean effective pressure)

① 사이클의 정미일과 동일한 양의 일을 발생하게 하는 압력

② W_net = MEP × 피스톤 면적 × 행정 = MEP × 배기체적

⑽ 불꽃점화기관(SI engine) : 공기-연료 혼합기에서 점화플러그에 의해 점화

⑾ 압축착화기관(CI engine) : 공기-연료 혼합기에서 자발화 온도 이상으로 압축되어 스스로 점화

 

 

5. 오토사이클(Otto cycle) : 가솔린 기관, 불꽃점화기관의 이상적 사이클 [목차]

⑴ actual four-stroke spark-ignition engine

Figure. 2. actual four-stroke spark-ignition engine

 

⑵ ideal otto cycle

Figure. 3. ideal otto cycle

 

① 급열과 방열이 등적과정에서 이루어지므로 등적 사이클이라고도 함

② 팁. 열효율 공식은 외울 것 : 압축비 r이 증가할수록 효율은 증가함

 

 

⑶ 2행정 기관과 4행정 기관

① 2행정 기관은 4행정 기관보다 효율이 낮음 (∵ 새로 유입된 연료-공기 혼합물이 배기가스와 함께 배출되기 때문)

② 2행정 기관은 4행정 기관보다 무게당 동력비가 매우 높음

 

 

6. 디젤사이클 (저속 디젤사이클) : 경유 기관, 압축착화기관의 이상적 사이클 [목차]

⑴ gasoline engine vs diesel engine

 

Figure. 4. gasoline engine vs diesel engine

 

① 급열 과정이 등압이고 방열과정이 등적이므로 등압사이클이라고도 함

② 디젤기관은 자연발화온도 이상까지 압축한 뒤 연료를 분사하면서 연소가 시작됨

③ 디젤 기관의 경우 자연 발화의 가능성이 낮음 → 최대압축비 ↑

○ 같은 압축비에 대해서는 gasoline engine이 효율적

○ 최대 압축비에 대해서는 diesel engine이 효율적

⑵ 효율

 

 

① 압축비 r이 증가할수록 효율은 증가함

② 차단비 r_c가 증가할수록 효율은 감소함

③ (참고) 최고 온도를 증가시키면 열효율이 감소함 

 

 

7. 사바테 사이클(Sabathe cycle) : 고속 디젤사이클이라고도 함 [목차]

⑴ 폭발비 ρ (그림 추후 첨부)

 

 

⑵ 효율

 

 

① 압축비 r이 증가할수록 효율은 증가함

② 차단비 r_c가 증가할수록 효율은 감소함

③ (참고) 사이클 중 최고온도 

 

 

○ T₃ : 사이클 중 최고 온도

○ T₁ : 최고 온도

○ r : 압축비

○ r_c : 차단비

○ ρ : 폭발비

⑶ 오토사이클, 디젤 사이클은 사바테 사이클의 극단적인 상황

① ρ = 1인 경우 사바테 사이클은 디젤사이클이 됨

② r_c = 1인 경우 사바테 사이클은 오토사이클이 됨 

③ 압축비이 일정할 때 효율 : 오토 ＞ 사바테 ＞ 디젤 

④ 최고압력이 일정할 때 효율 : 디젤 ＞ 사바테 ＞ 오토 

 

 

8. 브레이튼 사이클(Brayton cycle) : 가스터빈 기관의 이상적 사이클 [목차]

 

Figure. 5. 브레이튼 사이클

 

⑴ 정의 : 두 개의 정압과정과 두 개의 단열과정으로 구성된 사이클

⑵ 구성

① 1-2 : 압축기의 등엔트로피 압축

② 2-3 : 정압가열

③ 3-4 : 터빈의 등엔트로피 팽창

④ 4-1 : 정압방열

⑤ (참고) 랭킨 사이클도 2개의 등압과정과 2개의 등엔트로피 과정으로 구성됨

⑶ 수식 : 팁. 열효율 공식은 외울 것

 

 

⑷ 터빈 블레이드가 견딜 수 있는 최고 온도에 의해 압력비가 제한됨

⑸ 공기는 연소에 필요한 산소 공급과 냉각제의 역할을 수행

⑹ 등엔트로피 효율

 

 

 

9. 재생 브레이튼 사이클 [목차]

 

Figure. 6. 재생 브레이튼 사이클

 

⑴ 재생(regeneration) : 사이클의 일부 기간 동안 작동유체로부터 열에너지 저장장치로 열을 전달하고, 또 다른 일부 기간동안 그 저장장치에서 작동유체로 열을 되돌려주는 과정

⑵ 브레이튼 사이클의 열효율은 재생의 결과로 증가

⑶ 이는 정상적으로 주위로 방출되는 배기가스 에너지의 일부가 연소실로 들어가는 공기를 예열하는 데 사용되기 때문

⑷ 수식

 

 

 

10. 중간 냉각, 재열, 그리고 재생이 있는 브레이튼 사이클 [목차]

 

Figure. 7. 중간 냉각, 재열, 그리고 재생이 있는 브레이튼 사이클

 

⑴  두 압력 사이에 작용하는 터빈의 출력일은 단계적으로 기체를 팽창시키고 그 사이에서 재열시킴으로써, 즉 재열이 있는 다단 팽창을 사용함으로써 증가할 수 있음

⑵ 기체가 각 단계를 지날 동안 압력비가 동일하게 유지되면 효율이 최적임

 

 

 

11. 이상적 제트추진사이클 [목차]

⑴ 터브제트 기관에서 발생된 추력은 기관으로 들어가는 저속 공기의 운동량과 기관을 떠나는 고속 배기가스의 운동량의 차에 생기는 불균형 힘이고, 그것은 뉴턴 제2법칙에 의해 구해짐

 

 

⑵ 추진동력(propulsive power) : 기관의 추력으로부터 발생한 동력

 

 

⑶ 추진효율(propulsive efficiency)

 

 

⑷ terms : 터보휀, 프롭제트, 후기연소기, 램제트, 스크램제트, 로켓

 

 

12. 기타 사이클 [목차]

⑴ 에릭슨 사이클(Ericsson cycle) 

① 두 개의 정압과정과 두 개의 등온과정으로 구성된 사이클

② 브레이턴 사이클의 단열과정이 등온과정으로 바뀐 이상 사이클

 

Figure. 8. 에릭슨 사이클

 

⑵ 스털링 사이클(Stirling cycle)

① 개요

○ 밀폐된 공간 안의 기체를 압축·팽창하며 열을 일로 바꾸는 열기관

○ 오토 사이클의 단열과정이 등온과정으로 바뀐 사이클  

 

Figure. 9. 스털링 사이클

 

② 장점

○ 고온부와 저온부의 온도차이만 있으면 되므로 반드시 연료를 태워야 할 필요가 없음 : 폐열도 이용 가능

○ 온도 차이가 작아도 작동할 수 있음

○ 연료가 연소할 때 폭발 단계가 없어 소음, 진동이 없음

○ 구조가 간단하고, 제작 및 유지 비용이 적게 듦

③ 단점 

○ 출력이 낮고, 출력 속도 조절이 어려움 

⑶ 르누와 사이클 (르누아 사이클)

⑷ 이트킨스 사이클 (아트킨슨 사이클)

 

 

13. 기체동력사이클의 제2법칙 해석 [목차]

⑴ 수식 1 

 

 

⑵ 수식 2

 

 

입력: 2019.04.23 00:23