3.6 주요 열역학적 파라미터의 상호관계를 보여주는 차트(2)

2023.04.04 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 3.6 주요 열역학적 파라미터의 상호관계를 보여주는 차트(1)

 

3.6.4 건공기 온도 엔트로피 다이어그램

대부분의 열 엔진 사이클은 온도-엔트로피(T–S) 다이어그램의 도식화된 그림을 통해 대학 수준에서 학습됩니다. 이러한 접근 방식은 내부 블리딩 및 냉각 흐름과 같은 '실제' 엔진 효과로 확장하는 데 어려움이 있지만, 알려진 엔진 사이클의 전체 열역학을 나타내는 유용한 지표로 사용할 수 있습니다. 차트 3.18은 건공기에 대한 실제 온도-엔트로피 다이어그램을 구체적인 수치와 함께 일정한 압력 선도를 보여줍니다. 관련 다이어그램은 공개 문헌에서 보기 드문 것입니다.

중요하게 고려될 사항은 다음과 같습니다:

 

. 일정한 압력에서 온도를 높이면(예: 연소기에서 열을 추가하여) 엔트로피가 증가합니다.

. 일정한 압력에서 온도를 낮추면(예: 인터쿨러에서 열을 제거하여) 엔트로피가 감소합니다.

. 엔트로피가 증가하지 않을 경우 낮은 압력 라인에서 높은 압력 라인으로 압축(즉, 일 추가)하면 온도의 최소 변화(즉, 최소 에너지 입력 필요)가 발생합니다. 등엔트로피 압축은 이상적인 프로세스입니다.

. 실제로 엔트로피는 압축 중에 증가하므로 압력 변화에 필요한 이상적인 일 이상의 추가 에너지가 요구됩니다. 이 여분의 에너지는 열로 변환됩니다.

. 엔트로피가 증가하지 않는 경우 높은 일정 압력 라인에서 낮은 압력 라인으로 확장하면 온도의 최대 변화(즉, 최대 일 생성)가 발생합니다. 등엔트로피 확장도 이상적인 프로세스입니다.

. 실제로 엔트로피는 팽창하는 동안 증가하므로 이상적인 일 생성 압력 변화보다 적은 작업 출력을 얻을 수 있습니다. 이 '잃어버린' 에너지는 열로써 보상됩니다.

 

엔트로피는 일에 사용할 수 없는 열에너지로 정의될 수 있습니다. 마찰과 같은 실제 효과에 일부 압력이 손실되기 때문에 실제 압축기와 터빈에서 일부 에너지는 엔트로피를 높이는 데 사용됩니다. 엔트로피가 변하지 않는다면, 이상적인 일이 필요로 되거나 생산될 것입니다. 즉, 해당 과정을 등엔트로피과정이라고 말합니다. 등엔트로피 효율은 실제 작업과 이상적인 작업의 적절한 비율로 정의되며 항상 100% 미만입니다. (단열 효율이라는 용어도 일반적으로 사용되지만, 정확히 말하면 잘못된 용어입니다. 열전달만 제외하고 마찰은 제외하지 않으며, 등엔트로피 과정은 둘 다 포함하지 않습니다.)

가스 터빈 사이클은 위의 프로세스를 이용하며, 다른 중요하고 기본적인 열역학적 효과에 의존합니다:

대략 온도 상승에 비례하면서 저온에서의 특정 압축비에 대한 일 입력은 고온에서의 동일한 팽창비의 일 출력보다 현저히 낮습니다.

 

이는 일정한 압력의 T-S 다이어그램 라인이 온도와 엔트로피가 증가함에 따라 발산되기 때문입니다.

이는 차트 3.18을 사용하여 두 개의 일정한 압력 선도 간의 샘플 압축, 가열 및 팽창을 고려하여 확인할 수 있습니다. 엔트로피 값이 1.5kJ/kgK일 때 100 kPa에서 5100 kPa이 되는 데 필요한 온도 상승은 500K입니다. 이제 연료가 이 압력 레벨에서 연소하여 엔트로피가 2.75kJ/kgK로 증가하고 온도가 1850K로 증가한다면, 다시 100kPa로 확장하면서 약 1000K의 온도 강하가 이뤄집니다. 이에 대한 내용은 섹션 3.6.5절에 설명된 브레이튼 사이클의 근거를 명확하게 보여줍니다.

전압력의 이상적인 정의를 제공하는 공식에서도 그에 대한 동일한 기본 효과는 분명하게 보여줍니다. 이러한 효과는 등엔트로피 과정에서 압력과 온도 변화의 상호 관계를 보여주며, 팽창 또는 압축으로 인한 온도 차이가 초기 온도 수준에 정비례함을 보여줍니다.

 

 

3.6.5 주요 엔진 주기에 대한 T–S 계통도

그림 3.1–3.6은 가스 터빈 엔지니어의 주요 관심 사이클을 보여줍니다. 특정 엔진 유형에 대한 자세한 내용은 가스 터빈 엔진 구성 절과 다음에 더 자세하게 나와 있습니다.

그림 3.1은 Carnot 사이클을 보여줍니다. 이 사이클은 참조 1에 나와 있는 것처럼 이론적으로 두 온도 레벨 사이에서 가능한 가장 효율적인 사이클입니다. 가스 터빈 엔진은 반드시 Carnot 사이클을 사용하지는 않습니다. 증기 사이클과 달리 일정한 온도에서 열을 추가하거나 제거할 수 없기 때문입니다.

그림 3.2는 브레이튼 사이클을 보여줍니다. 이 사이클은 일정한 압력으로 열이 입력되는 모든 가스 터빈 엔진에서 사용되는 기본 사이클입니다. 구성 요소에 대한 비효율성의 효과는 수직이 아닌 압축 및 팽창 라인에 의해 나타나며, 이는 이상적인 카르노 사이클과 두드러지는 차이점입니다. 브레이튼 사이클의 형태는 열 교환기 및 바이패스 흐름에 따라 수정됩니다.

그림 3.3은 터보팬의 주기를 보여줍니다. 바이패스 스트림은 부분적으로만 압축되며, 주변 압력으로 다시 팽창하기 전에는 가열되지 않습니다.

그림 3.4는 열 교환 주기를 보여줍니다. 배기가스의 폐열은 연소 전에 압축기에서 공급되는 공기를 가열하는 데 사용되어 필요한 연료 유량이 줄어들게 됩니다.

그림 3.5는 압축기 시작 부분의 하류에서 열이 추출되는 중간 냉각 사이클(intercooled cycle)을 보여줍니다. 이는 보조 압축기를 구동하는 데 필요한 일을 줄이고 출력을 높입니다.

그림 3.6은 과열을 동반한 랭킨 사이클을 보여줍니다. 이 사이클은 가스 터빈 배기가스가 열을 공급하여 증기를 증가시키는 복합 사이클 적용품에 사용됩니다. 증발 중 일정한 온도에서 열이 추가되는 경우 카르노 사이클에 근사하게 됩니다. 주요 편차는 비이상적인 구성 요소의 효율입니다.

 

 

 

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