질문 요약
강의 중 풀이한 예제 문제에서 온도-부피 그래프에 60bar를 습증기 상태로 표시하신 이유가 궁금합니다. 초기 온도는 400도씨, 압력은 60bar인데, 왜 steam turbine의 끝부분이 아니라 가운데에 60bar를 표시하셨나요? 또한, steam turbine 입구와 출구 모두 증기 상태여야 하는데, 출구에서 2상 혼합체라는 것을 어떻게 알 수 있나요? (질문 시 사용한 이미지 : https://lh3.googleusercontent.com/d/1dz6cjwXiARyXagE41orkcTj6fufk5JMR)
답변 요약
좋은 질문입니다. T-v 선도에서 등압 곡선이 어떻게 구성되어 있는지 참고해 보세요. 아래의 그림이 이해에 도움이 될 겁니다. 상태량표에서 해당 압력의 포화 온도를 구해 그래프에 반영하면 더 정확한 그림을 그릴 수 있었을 겁니다. 하지만 이 문제를 풀 때는 정확히 그릴 필요가 없어 단순하게 표시한 점 오해가 있었던 것 같습니다. (참고 이미지: http://file.unistudy.co.kr/SEDATA/dylee_mqna_20201019102105.png, http://file.unistudy.co.kr/SEDATA/dylee_mqna_20201019102115.png)
Unsplash 추천 이미지 (키워드 : thermodynamics, phase diagram, steam turbine, pressure-volume graph, T-v diagram, saturated temperature )
공업열역학 온도-부피 그래프에서 60bar의 위치와 2상 혼합체 확인 방법
공업열역학에서 온도-부피(T-v) 그래프는 매우 중요한 도구입니다. 이 그래프를 통해 증기의 상태와 그 변화 과정을 시각적으로 이해할 수 있습니다. 이번 블로그에서는 60bar에서 습증기 상태를 표시하는 이유와 steam turbine에서 출구 상태가 2상 혼합체임을 확인하는 방법에 대해 알아보겠습니다.
먼저, 온도-부피(T-v) 그래프의 기본 구조에 대해 살펴보겠습니다. T-v 그래프는 온도와 부피의 관계를 나타내며, 주로 증기의 상태를 나타내는 데 사용됩니다. 이 그래프는 증발선과 응축선을 포함하며, 이 선들 사이의 영역이 2상 혼합체(즉, 액체와 증기가 공존하는 상태)를 나타냅니다.
아래 이미지는 T-v 그래프의 예시입니다.
60bar에서 습증기 상태 표시
강의 중 예제 문제에서 온도-부피 그래프에 60bar를 습증기 상태로 표시한 이유를 이해하기 위해서는 상태량표와 그래프 해석 방법을 알아야 합니다. 온도-부피 그래프에서 등압 곡선은 주어진 압력에서의 증기와 액체 상태를 나타냅니다. 특정 압력에서의 포화 온도를 구하면 더 정확한 그래프를 그릴 수 있습니다.
60bar에서 포화 온도는 약 275도씨입니다. 따라서, 400도씨에서 60bar의 상태를 그래프에 표시하면 이 점은 포화 곡선(즉, 증발선과 응축선) 바깥의 과열증기 영역에 위치하게 됩니다. 이 때문에 60bar를 습증기 상태로 표시한 것입니다.
위 그림에서 60bar 등압 곡선이 어떻게 구성되어 있는지 확인할 수 있습니다. 초기 온도 400도씨에서 60bar 상태는 과열증기 상태에 해당합니다.
Steam Turbine에서 2상 혼합체 확인 방법
Steam turbine은 증기를 이용해 에너지를 변환하는 기계입니다. 터빈의 입구와 출구에서의 증기 상태는 시스템의 효율과 성능을 결정짓는 중요한 요소입니다. 일반적으로 터빈 입구는 고온 고압의 과열증기 상태를 유지합니다. 그러나 터빈을 거친 후에는 에너지를 잃고 온도와 압력이 낮아지게 됩니다.
터빈 출구에서 2상 혼합체임을 확인하기 위해서는 다음과 같은 절차를 따릅니다.
- 터빈 출구의 압력과 엔탈피 값을 구합니다.
- 상태량표를 이용해 해당 압력에서의 포화 온도와 포화 엔탈피 값을 찾습니다.
- 터빈 출구의 엔탈피 값이 포화 액체 엔탈피와 포화 증기 엔탈피 사이에 있는지 확인합니다.
만약 터빈 출구의 엔탈피 값이 포화 액체 엔탈피와 포화 증기 엔탈피 사이에 있다면, 이는 2상 혼합체 상태임을 의미합니다. 즉, 액체와 증기가 공존하고 있는 상태입니다.
예를 들어, 터빈 출구의 압력이 10bar이고 엔탈피가 2500 kJ/kg라고 가정해보겠습니다. 상태량표에서 10bar의 포화 액체 엔탈피는 762 kJ/kg, 포화 증기 엔탈피는 2778 kJ/kg입니다. 2500 kJ/kg는 이 두 값 사이에 위치하므로, 터빈 출구는 2상 혼합체 상태임을 알 수 있습니다.
이와 같은 절차를 통해 steam turbine의 입구와 출구 상태를 정확히 확인할 수 있습니다. 이를 통해 시스템의 효율과 성능을 최적화할 수 있습니다.
결론
공업열역학에서 온도-부피 그래프는 중요한 도구입니다. 60bar에서 습증기 상태를 표시하는 이유는 상태량표와 그래프 해석을 통해 이해할 수 있습니다. 또한, steam turbine의 출구 상태가 2상 혼합체임을 확인하는 방법은 엔탈피 값을 이용한 상태량표 분석을 통해 가능합니다. 이러한 분석 과정은 시스템의 효율을 최적화하고 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.
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