흐름이 보이는 원자력기사 시험에서 꼭 나오는 요점 요약 정리 6. 원자력 열역학 및 유체역학 2

6. 원자력 열역학 및 유체역학 2

(3) 베르누이 정리의 응용

① 토리첼리의 정리

 

② 피토정압관(전압과 정압의 차로 동압을 파악)

③ 벤츄리관(베르누이의 정리를 이용)

 

4) 압력강하(손실수두)

(1) 하겐-포아즈이유의 법칙

 

• 층류에만 적용

 

(2) 패닝의 법칙

• 난류에만 이용

(3) 달시-웨버의 법칙

• 층류, 난류 모두 적용

 

3. 발전소의 원리

 

1) 열기관

(1) 개요

• 일은 에너지의 다른 형태로 쉽게 변환될 수 있으나, 다른 형태의 에너지를 일로 변환하는 것은 쉽지 않다.

-> 특별한 과정을 거쳐 물질의 열에너지를 기계적인 일로 변환할 수 있는데 이를 열기관에 의해 이루어진다.

• 열기관의 특성은 다음과 같다.

-> 높은 열원(핵분열 반응 에너지)으로부터 열을 받는다.

-> 이 열의 일부를 일로 변환한다.

-> 남은 열을 대기 또는 바닷물 등의 저온 열원으로 방출한다.

 

• 열기관은 이러한 프로세스가 지속적인 사이클로 작동해야 한다.

-> 이러한 사이클에서 열을 흡수, 방출하는 유체를 작동 유체(Working Field)라고 한다.

Qout(QL) = 저온의 열원으로 응축기를 통해 방출되는 양

Qin(QH) = 고온의 열원으로부터 물에 공급된 열량

Wout = 터빈에서 증기가 팽창하며 외부로 전달된 일량

Win = 복수를 고온 열원의 압력까지 가압시키는데 필요한 일량

 

(2) 카르노사이클(Carnot Cycle)

 

① 개요

• 1824년 프랑스 공학자 니콜라 레오나르 사피 카르노가 고안한 열기관으로 두 개의 가역단열과정과 등온팽창과정으로 이루어진 열기관이다.

-> 가장 이상적인 사이클로 열기관 중 최대의 효율을 보인다.

 

② 순환과정

• 2->3 (등온팽창) : 고온 열원에서 열량을 흡수한다.

• 3->4 (단열팽창) : 받은 열량만큼 일을 수행하면서 내부에너지가 감소한다.

• 4->1 (등온압축) : 저온 열원으로 남은 열을 방출한다.

• 1->2 (단열압축) : 외부에서 일을 받고 그 만큼 내부에너지가 증가한다.

 

(3) 랭킨사이클(Rankine Cycle)

① 개요

• 1859년 공학자 윌리엄 J.M. 랭킨이 발표한 사이클로 증기를 작동유체로 하는 증기동력 사이클의 가장 기본적인 사이클이다.

-> 카르노사이클은 이상적인 열기관으로 마찰, 열손실로 인해 단열변화, 등온팽창변화를 유도할 수 없지만, 랭킨사이클은 등온변화를 등압변화로 바꾼 것이다.

 

② 순환과정

4->5 (가역단열압축) : 복수기에서 응축된 포화수가 펌프에서 외부 일을 받아 압축수가 된다.

5->1‘(등온팽창과정) : 보일러에서 열량을 흡수하여 건포화증기가 된다.

1‘->2(가역단열팽창) : 고압터빈에서 받은 열량의 일부를 일로 방출하면서 습증기가 된다.

2->2‘(등압과열과정) : 과열기에서 습증기가 과열증기가 된다.

2‘->3(가역단열팽창) : 저압터빈에서 받은 열량의 일부를 일로 방출하면서 습증기가 된다.

3->4(등온압축과정) : 복수기에서 남은 열량을 방출하면서 포화수가 된다.

 

(4) 발전소 증기사이클

과정 7->1 저압터빈에서 배출된 증기는 복수기로 유입되어 정압하 응축수가 된다.

과정 1->4 응축수는 복수펌프-급수가열기의 작용이 이루어져 포화수가 되고 증기발생기로

유입된다.

과정 4->5 증기발생기로 유입된 급수는 1차측 냉각재에 의하 정압하 가열되어 포화증기가

된다.

과정 5->6 증기발생기에서 발생된 포화증기가 고압터빈에 유입되어 단열팽창하면서

터빈축을 회전시켜 일을 수행한다.

과정 6->7 습분분리 재열기를 통해서 과열증기가 되고 저압터빈에 유입되어 팽창하면서

터빈축을 회전시켜 일을 수행한다.

 

2) 열효율

(1) 개요

• 펌프의 압축과정이나 터빈 팽창과정이 등엔트로피 과정이 아니기에 엔트로피가 증가한다.

-> 이러한 비가역과정이 펌프 소모일의 양을 증가시켜 터빈 생산일을 감소시킨다.

 

(2) 열효율 공식