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[스크랩] 제 1 편 보일러 및 기초 열역학 (Boiler And Basis Thermodynamics)
현팀장
2014. 2. 24. 19:59
제 1 편 보일러 및 기초 열역학 (Boiler And Basis Thermodynamics)
제 2 장 기초 열역학 및 증기
1. 열 및 증기 (熱 및 蒸氣)
(1) 온도 (溫度, Temperature)
온도란 우리들이 느끼는 차다, 덥다의 정도를 나타내는 척도를 말하는데 열은 눈에 보이지 않으므로 구체화할 수 없는 추상적인 물리량으로 생각하게 된다. 즉 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 그 무엇이 있다는 것을 알게 되는데 이것을 열(Heat)이라 한다. 그러나 단순한 접촉만으로는 어느 정도 상승, 냉각되는 지 표현하기 어려우므로 그 정도는 일정한 수치로 표현하기 위하여 정한 것을 온도라 한다.
1) 섭씨온도 (Centigrade Temperature, Celsius Temperature)
섭씨온도란 표준대기압 상태에서 물의 어는점을 0℃로 하고 물의 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분하여 그 1눈금을 1℃로 표시한다.
2) 화씨온도 (Fahrenheit Temperature)
화씨온도란 표준대기압 상태에서 물의 어는점을 32℉로 하고 물의 끓는점을 212℉로 정하여 그 사이를 180등분하여 1눈금을 1℉로 표시한다.
3) 섭씨온도와 화씨온도의 상관관계식
0℃ = 32℉, 100℃ = 212℉
℃ = 5(℉ - 32) / 9, ℉ = 32 + 9 * ℃ / 5, ℃와 ℉는 1.8배 차 ℃ / 100 = (℉ - 32) / 100
4) 절대온도 (絶對溫度, Absolute Temperature)
체적은 온도가 1℃ 상승할 때마다 0℃일 때 체적의 1/273씩 증가한다. 따라서 완전가스는 일정한 체적하에서는 온도 1℃ 내릴 때마다 0℃일 때의 압력의 1/273씩 떨어져 결국 -273℃에서는 기체의 압력이 0이 되어 기체의 분자운동은 정지되고, 이때를 열역학적 최저온도라 하고 이것을 절대온도 0K라 한다(단, 화씨로는 -460℉).
① 켈빈(Kelvin) 절대온도
K = ℃ + 273
② 랭킨(Rankine) 절대온도
R = ℉ + 460
(2) 열량의 단위
열량의 단위는 다음과 같다.
① 1 ㎉ : 표준대기압하에서 순수한 물 1㎏을 1℃ 올리는데 필요한 열량
② 1 BTU : 표준대기압하에서 순수한 물 1 lb를 1℉ 올리는데 필요한 열량 (물 1 lb를 32℉로 부터 1℉ 올리는데 필요한 열량)
③ 1 CHU : 1 lb의 순수한 물을 온도 14.5℃~15.5℃까지 올리는데 필요한 열량이다.
※ 열량 : 어떤 물체의 온도를 변화시키는 에너지의 한 형태로 어떤 물질이 보유하고 있는 열의 많고 적음
(3) 일과 동력
시간당 행한 일을 동력 또는 공률이라 하며 단위로는 PS(Pferdestark), HP(Horse Power), ㎾(Kilo Watt) [ft·lb/sec] 등이 사용된다.
* 일
① 일 = 힘 * 거리
② 일의 단위는 ㎏·m 또는 ft·lb가 사용된다.
이들의 관계는 1㎏·m = 7.233 ft·lb
③ 일과 열의 수량적 관계
1 ㎏·m = 1/427 ㎉ = 9.8 J
1 ㎉ = 427 ㎏·m
A = 1/J = 1/427 [㎉/㎏·m] = 1/778 [Btu/ft·lb]
1 ㎾-h = 102[㎏·m]/1[sec] * 3600[sec]/1[hr] * 1[㎉]/427[㎉/㎏·m] = 860 ㎉
1 ps-h = 75 [㎏·m]/1[sec] * 3600[sec]/1[hr] * 1[㎉]/427[㎉/㎏·m] = 632 ㎉
1 PS = 75 [㎏·m/sec]
1 HP = 76 [㎏·m/sec]
1 ㎾ = 102 [㎏·m/sec]
1 J = 0.24 ㎈
1 ㎈ = 4.18 J
(4) 비열과 열용량
1) 비열
① 비열이란 어떤 물체의 단위중량당 1㎏을 온도 1℃만큼 상승시키는 열량을 말하며 단위는 ㎉/㎏·℃이다.
1 ㎉/㎏·℃ = 1 BTU/lb·℉ = 2205 CHU/lb·℃
② 평균비열은 표준대기압 상태에서 순수한 물 1㎏을 0℃에서 100℃까지 올리는데 필요한 총 열량을 100등분한 것이다.
③ 정적비열(Specific Heat At Constant Volume)은 열을 가할 때 체적을 일정하게 하면 압력이 높아지고 분자간의 충돌에 의해 열이 발생하므로 일정한 체적상태에서 기체 1㎏의 온도를 1℃올리는 데 필요한 열량을 말하며 C(v)로 나타낸다.
④ 정압비열(Specific Heat At Constant Pressure)은 일정한 압력 상태에서 기체 1㎏의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량을 말하며 C(p)로 나타낸다. 언제나 같은 기체라도 정압비열이 정적비열보다 많은 열이 필요하기 때문에 정압비열이 정적비열보다 크다.
⑤ 비열비 [κ]
비열비(Specific Heat Ratio)의 값은 항상 1보다 크고 비열비가 클수록 기체는 압축 후 토출가스 온도가 상승한다.
κ = C(p) / C(v), C(p) > C(v)이므로 κ는 항상 1보다 크다. (☞ 제 1 편 냉동기계 제 1장 냉동의 기초 열역학 참조)
2) 열용량 (熱容量, Heat Capacity)
① 어떤 물질의 온도를 1℃ 상승시키는 데 필요한 열량이며 그 단위는 ㎉/℃이다.
열용량 = 비열 * 질량, 비열 = 열용량 / 질량
Q = G * C [㎉/℃], Q = C / G [㎉/㎏·℃] G : 질량 [㎏], C : 비열 [㎉/㎏·℃]
② 일반적으로 질량이 동일할 경우 열용량이 크면 비열이 크다.
(5) 현열과 잠열
1) 현열, 감열 (顯熱, 感熱, Sensible Heat) : Q = G * C * Δt (무게 * 비열 * 온도차)
어떤 물체에 열을 가하면 그 물체의 온도가 상승한다. 이때 온도를 상승시킨 열량을 현열이라 하며 계속 상승하다 상(相)이 변하는 온도가 되면 온도 상승은 멈추고 상(相)이 변한다. 즉, 고체가 액체로 액체가 기체로 변하는 현상이다.
가해진 열량 Q눈 물체의 온도상승 Δt와 물체의 중량 G에 비례하며 여기서 상수 C는 비열이다(상태변화 없이 온도변화에 소요되는 열).
2) 잠열 (潛熱, Latent Heat) : 온도변화 없이 상태변화에만 필요한 열량
물질에 열을 가하여 상태의 변화를 일으킬 때에는 온도가 상이 변하는 온도에서 일정하게 고정되며 열만을 흡수한다. 이 때 흡수한 열을 잠열이라 한다.
① 고체가 액체로 변할 때 소요되는 열량을 융해잠열이라 하며 얼음의 융해잠열은 0℃에서 79.68㎉/㎏이다.
② 액체가 기체로 변할 때 소요되는 열량을 기화잠열이라 하며 물의 기화잠열은 100℃에서 539㎉/㎏이다.
③ 100℃의 포화수 1㎏이 100℃의 증기로 상변화할 때 증발잠열은 539㎉/㎏이다.
④ 보일러에서 압력이 상승하면 포화온도가 포화온도가 높아지면서 잠열이 감소하고, 잠열은 압력에 따라 변화하며 또한 잠열은 단위 질량당으로 표시한다.
Q = G * r (r : 고유잠열 [㎉/㎏])
⑤ 보일러에서 임계압력에 도달하면 증발잠열이 0㎉/㎏이 되며 액체, 기체의 구별이 없어진다(임계압력 = 225㎏/㎠, 임계온도 = 374.15℃).
(6) 엔탈피와 엔트로피
1) 엔탈피 (Enthalphy)
어떤 상태의 유체 1㎏이 가지는 열에너지이며 유체가 가지는 내부에너지와 체적을 차지하기 위한 유동일, 즉 기계적 일의 합과 같다. u, P, V는 모두 상태가 정해지면 결정되는 값(상태값)으로 h 역시 상태만으로 정해지는 상태함수이다. 따라서 물체의 상태량에 의해서만 결정된다.
물체에 압력을 일정하게 유지하고, 온도 t(0)에서 온도 t까지의 상태로 변화시킬 때 외부에서 공급해야 하는 현열과 잠열의 합을 엔탈피(Enthalphy)라 하며 열역학적으로 매우 중요한 상태량으로 다음과 같이 정의된다.
2) 엔트로피 (Entropy) : 열역학 제 2법칙에 의한 상태량
단위중량의 물체가 일정온도하에서 얻은 열량(엔탈피)을 그 절대온도로 나눈 값을 엔트로피라 하며 단위는 ㎉/㎏·˚K로 표시하고 0℃ 포화액의 엔트로피를 1로 한다.
(7) 압력 (壓力, Pressure)
압력은 단위면적에 작용하는 수직방향의 힘으로 물리학에서는 0℃ 수은주 760㎜의 무게가 1㎠의 면적에 작용하는 표준압력에 해당하는 것이 1기압이며 atm(Atmosphere)의 약호를 기호로 쓴다.
1) 표준대기압 (atm)
0℃의 수은주로 760㎜에 상당하는 압력을 표준대기압이라 하며 760㎜Hg 또는 1 atm의 기호로 표시한다.
2) 공학기압 (at)
3) 게이지압 (㎏/㎠·G) (abg)
대기압 상태를 0으로 기준하여, Gauge로 측정한 압력이다.
게이지압력 = 절대압력 - 대기압
단위 : ㎏/㎠·g, lb/in²·g
4) 절대압력 (abs)
절대압력은 완전 진공상태를 0으로 기준하여 측정한 압력이다.
절대압력 = 대기압력 + 게이지압력
단위 : ㎏/㎠·a, lb/in²·a
5) 진공압력 (atv)
대기압보다 낮은 압력이다.
진공압력 = 대기압력 - 절대압력
진공도 = 진공압력/대기압력 * 100(%)
6) 수주 (mH₂O, mAq)
10 mH₂O = 10,000 ㎜H₂O = 10,000 ㎏/㎡ = 1 ㎏/㎠
7) 비체적, 비중량, 비중, 밀도
㉮ 비체적, 비용적, 부피 (Specific Volume)
단위질량의 물체가 차지하는 체적이 비체적이다. 그 단위는 ㎥/㎏으로 사용되며 밀도의 역수이다.
㉯ 밀도 (Density)
단위체적의 질량을 밀도라 하고, ㎏/㎥으로 단위가 사용되며 단위체적의 질량이다.
㉰ 비중량 (Specific Weight)
단위체적의 중량이며 단위는 ㎏f/㎥이다.
㉱ 비중 (Specific Weight) : 단위체적당 중량 (㎏/㎥)
표준물질의 밀도에 대한 어떤 물질의 밀도비이며 단위는 없고, 표준물질로는 4℃의 순수한 물을 사용한다.
(8) 열의 이동
열은 고온체에서 저온으로 이동하는데 온도차가 클수록 이동하는 열량이 증가하고 전도, 대류, 복사가 있다. 즉, 열이동을 전열이라 한다.
1) 열전도 (Conduction) : 고체간의 열 이동 - 퓨리에의 법칙
물체 내부에서 열이 이동되는 현상으로 물체 내부로 고온부에서 저온부로 이동되는 현상으로 열관류율은 다음과 같다.
※ 퓨리에의 열전도 법칙 : 고온체의 열이 고체의 벽을 통해 저온체로 이동
㉮ 열전도율 [λ : ㎉/m·h·℃]
㉯ 열전달율 [α : ㎉/㎡·h·℃] : 전열면에 수직방향의 온도기울기에 비례한다.
① 벽체가 1개인 경우
② 벽체가 2개인 경우
2) 열관류율, 열통과율 (K : ㎉/㎡·h·℃)
전도와 전달이 함께 이루어지는 것으로서 고온의 유체에 고체의 물질을 통과하여 저온의 유체에 열이 이동되는 것을 말하며 이 경우에는 전도, 대류, 복사의 모든 작용이 이루어진다.
㉮ 열관류율 [K]
㉯ 전열 저항계수 [R]
㉰ 열관류 전열량 [Q]
3) 대류 (Convection Heat Transfer) : 밀도차에 의한 열의 이동
액체나 기체는 열팽창에 의하여 밀도가 변하고 그 각 부분은 순환운동을 하면서 온도가 변한다. 유체의 밀도차에 의해서 자연히 열이 이동되는 것을 자연대류(Natural Convection)라고 한다. 또한 송풍기나 배풍기 등을 이용하여 밖으로 강제로 열을 이동시키는 것을 강제대류(Forced Convection)라 하고 에어컨이 그 예이며 대류 열전달량 Q [㎉/h]는 다음과 같다.
4) 복사 (Radiation Heat Transfer) : 복사(방사)열에 의한 열의 이동
난로에서 열이 직접 전달되어 따뜻함을 느끼는 것과 같이 열이 중간에 다른 물질을 통하지 않고 직접 이동하는 현상을 말한다. 즉, 열선에 의해서 열이 이동하는 현상이다.
* 스테판-볼츠만 (Stefan-Boltzmann)의 법칙
완전흑체 표면에서의복사열 전달율은 절대온도의 4제곱에 비례한다(단, 물질에 의하여 또 표면의 상태 등에 의하여 동일온도라 할지라도 단위면적당 발산하는 복사 열량은 달라진다).
(9) 열역학 법칙
일을 할 수 있는 능력을 에너지(Energy)라고 하며 여러 에너지 중 기계적인 에너지에는 위치에너지와 운동에너지가 있으며, 이 위치에너지와 운동에너지의 합을 역학적에너지 또는 기계적에너지라고 부른다. 물질에 열을 가하거나 혹은 외부로부터 물질에 일을 할 경우 그 물질이 열을 밖으로 내보내거나 외부에 대하여 일을 하지 않는다면 물질이 받은 열이나 일은 내부에 저장된다고 생각할 수 있다. 이것을 내부에너지라 한다.
1) 열역학 제0법칙 (열평형의 법칙)
온도가 서로 다른 두개의 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가고 낮은 온도인 물체의 온도는 올라가서 결국 두 물체의 온도는 같게 된다. 여기서 열역학 제0법칙은 "2개의 물체가 또 다른 물체와 서로 열평형을 이루고 있으면 그 두 물체는 서로 열평형 상태에 있다"라고 표현된다.
2) 열역학 제1법칙 (에너지 보존의 법칙, 에너지 불변의 법칙)
모든 물체의 에너지는 일정하며 자기 스스로 생겨나거나 소멸되지 않고 감소하지도 않는 영원불멸의 법칙이다. 또한 열은 기계적인 일로 변환이 가능하고 기계적 일은 변환할 수 있어 열과 일은 일정한 비율로 서로 변환이 가능하다. 열량의 단위인 ㎉와 일의 단위인 ㎏·m 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
* 제1종 영구기관
열원으로부터 흡수된 일정량의 에너지로 영원히 일을 할 수 있는 기관으로 실제로 존재하지 않는다.
3) 열역학 제2법칙
일을 할 수 있는 능력에 관한 법칙으로 열은 기계적인 일 없이는 스스로 저온부에서 고온부로 이동할 수 없다. 따라서 일은 모두 열로 변환할 수 있으나, 열을 일로 변환할 경우에는 반드시 손실이 발생한다. 그러므로 열기관에서 그 작업물질로 하여금 일을 시키려면 그 보다 저온의 물체를 필요로 한다.
* 제2종 영구기관
열원으로부터 받은 열량을 전부 일로 변환시키며 열손실이 전혀 없는 기관. 즉, 100%의 효율을 갖는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
4) 열역학 제3법칙 (절대 0도의 법칙)
어떤 이상적인 방법으로도 절대온도 0˚K(-273.16℃)이하로 할 수 없다.
(10) 기체에 관한 법칙
1) 보일의 법칙
일정한 온도에서 기체 부피는 그 압력에 반비례하여 증감한다.
2) 샤를의 법칙
압력이 일정한 경우 기체의 부피는 그 온도에 비례하여 증감한다.
3) 보일-샤를의 법칙
일정량의 기체 부피는 압력에 반비례하고, 절대온도에 비례한다.
2. 증기 (蒸氣, Vapor)
(1) 용어해설
① 포화온도 (飽和溫度, Saturated Temperature)
어느 압력 하에서 액체를 가열시킬 경우 일정온도에 도달하면 그 이상 온도가 상승하지 않는 한계의 온도를 그 압력에 대한 포화온도라고 한다.
② 포화증기 (飽和蒸氣, Saturated Vapor)
포화온도에 도달한 물, 즉 포화수를 가열하면 증발이 일어나 증기가 발생되는데 계속 가열함으로써 물의 양이 줄고 증기의 양이 늘어나 물이 없어질 때까지 증발이 계속된다. 이렇게 해서 생긴 증기를 포화증기라 하며 여기에는 습포화증기와 건포화증기가 있다. 이 포화온도에서 생성된 증기를 포화증기(飽和蒸氣, Saturated Vapor)
③ 습포화증기 (濕飽和蒸氣, Wet Vapor) : 100℃의 물과 증기
포화액과 포화증기가 서로 공존하고 있는 상태. 즉, 발생증기가 수분을 포함한 상태로 수격작용의 원인이 된다. 이 때의 증기를 습포화증기(濕飽和蒸氣, Wet Vapor) 또는 습증기라고 한다.
④ 건조도 (乾燥度, Dryness)
증기의 함량을 말한다. 1㎏의 습증기 속에 X ㎏가 증기이고, 나머지 (1-X) ㎏이 액체일 때, 이 X를 건조도(乾燥度, Dryness)라고 말하며, (1-X)값을 습도(濕度, Wetness)라고 한다.
⑤ 건포화증기 (乾飽和蒸氣, Dry Vapor) : 건조도 X = 1
증기에 수분이 포함되지 않은 증기를 말한다.
⑥ 과열증기 (過熱蒸氣, Superheated Vapor)
건조증기를 더욱 가열하여 증기의 온도를 포화온도 이상으로 가열된 상태의 증기를 말한다.
⑦ 과열도 (過熱度)
과열증기온도와 그 압력 밑에서의 포화증기온도의 값. 이 과열도가 커짐에 따라 증기는 완전가스의 성질에 가까워진다.
⑧ 끓는점 (沸騰點, Boiling Point)
액체가 열을 흡수하여 어느 온도에 이르면 증발(기화)하기 시작한다. 이 때의 온도를 끓는점이라고 한다.
⑨ 포화수(액) (飽和水(液)) : 100℃의 물 - 건조도가 0인 상태
포화온도 상태의 물을 포화수(Saturated Water)라고 한다.
→ 포화압력에 도달된 액체로 압력이 올라가면 포화온도도 상승한다.
⑩ 증발 (蒸發, Evaporation)
액체가 끓는점에 이르러 기체로 변하는 것을 증발(Evaporation)이라 한다.
→ 포화압력 상승시 포화온도는 높아지나 증발잠열은 작아진다(즉, 증기가 가지는 엔탈피는 많아져 열의 이용도가 높아진다).
※ 증기압력이 상승하면 잠열의 감소로 임계점상태에서 잠열은 0이 된다.
(2) 증기 중 수분의 장해와 과열증기의 특징
1) 증기속에 수분이 많을 때의 현상
① 건조도가 저하된다.
② 증기의 엔탈피가 감소한다.
③ 응축수가 증가한다.
④ 증기배관 내에 수격작용(Water Hammer)이 발생한다.
⑤ 장치의 부식이 발생된다.
⑥ 증기기관의 열효율이 떨어진다.
2) 과열증기의 특징
① 열효율이 증가한다.
② 같은 압력의 포화증기에 비해 보유열량이 많다.
③ 증기의 마찰손실이 적다.
④ 원동소 터빈의 날개나 증기기관 등의 부식이 적다.
⑤ 증기소비량이 적어도 된다.
⑥ 가열표면의 온도가 균일하지 못하다.
⑦ 가열장치에 큰 열응력이 발생한다.
3) 고압증기의 단점
① 배기가스의 손실이 커진다.
② 보일러 동체의 표면 방열손실이 커진다.
③ 안전 관리상의 위험이 따른다.
④ 배관 부속품의 누설개소에서 열손실이 초래된다.
⑤ 응축수량이 많아지고 증발 손실률이 증가한다.
⑥ 증기배관의 압력손실이 증가한다.
⑦ 각종 관내 및 이음부에 수격현상이 초래되어 배관의 수명이 짧아진다.
4) 증기의 압력이 높을 때의 사항
① 포화온도가 상승한다.
② 증발잠열이 감소한다.
③ 증기의 엔탈피가 증가한다.
④ 보일러 통이나 배관에 무리가 온다.
⑤ 습증기 발생이 심해진다.
⑥ 연료의 소비가 증가한다.
⑦ 포화수 엔탈피가 증가한다.
⑧ 포화수와 포화증기의 비중량 차가 적어진다.
⑨ 비수방지관이나 기수분리기가 필요하다.
⑩ 포화증기의 비체적이 작아진다.
(3) 임계점 (臨界點, Critical Point)
임계점(臨界點, Critical Point)이란 포화수의 증발현상이 없고, 액체와 기체의 구별이 없어지는 지점을 말하며 증발잠열이 0 ㎉/㎏가 된다. 즉 습증기로서 체적팽창의 범위가 0이 된다.
1) 임계상태의 특징
① 포화수와 포화증기간의 비체적이 같다.
② 증발현상이 없어진다.
③ 증발잠열이 0 ㎉/㎏이다.
2) 물의 임계압력과 임계온도
① 임계압력 : 225.65 ㎏/㎠ abs이다.
② 임계온도 : 374.15 ℃이다.
③ 증발을 시작하는 지점과 그것을 끝내는 점이 같게 되는 임계점이 된다.
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1. 열 및 증기 (熱 및 蒸氣)
(1) 온도 (溫度, Temperature)
온도란 우리들이 느끼는 차다, 덥다의 정도를 나타내는 척도를 말하는데 열은 눈에 보이지 않으므로 구체화할 수 없는 추상적인 물리량으로 생각하게 된다. 즉 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 그 무엇이 있다는 것을 알게 되는데 이것을 열(Heat)이라 한다. 그러나 단순한 접촉만으로는 어느 정도 상승, 냉각되는 지 표현하기 어려우므로 그 정도는 일정한 수치로 표현하기 위하여 정한 것을 온도라 한다.
1) 섭씨온도 (Centigrade Temperature, Celsius Temperature)
섭씨온도란 표준대기압 상태에서 물의 어는점을 0℃로 하고 물의 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분하여 그 1눈금을 1℃로 표시한다.
2) 화씨온도 (Fahrenheit Temperature)
화씨온도란 표준대기압 상태에서 물의 어는점을 32℉로 하고 물의 끓는점을 212℉로 정하여 그 사이를 180등분하여 1눈금을 1℉로 표시한다.
3) 섭씨온도와 화씨온도의 상관관계식
0℃ = 32℉, 100℃ = 212℉
℃ = 5(℉ - 32) / 9, ℉ = 32 + 9 * ℃ / 5, ℃와 ℉는 1.8배 차 ℃ / 100 = (℉ - 32) / 100
4) 절대온도 (絶對溫度, Absolute Temperature)
체적은 온도가 1℃ 상승할 때마다 0℃일 때 체적의 1/273씩 증가한다. 따라서 완전가스는 일정한 체적하에서는 온도 1℃ 내릴 때마다 0℃일 때의 압력의 1/273씩 떨어져 결국 -273℃에서는 기체의 압력이 0이 되어 기체의 분자운동은 정지되고, 이때를 열역학적 최저온도라 하고 이것을 절대온도 0K라 한다(단, 화씨로는 -460℉).
① 켈빈(Kelvin) 절대온도
K = ℃ + 273
② 랭킨(Rankine) 절대온도
R = ℉ + 460
(2) 열량의 단위
열량의 단위는 다음과 같다.
① 1 ㎉ : 표준대기압하에서 순수한 물 1㎏을 1℃ 올리는데 필요한 열량
② 1 BTU : 표준대기압하에서 순수한 물 1 lb를 1℉ 올리는데 필요한 열량 (물 1 lb를 32℉로 부터 1℉ 올리는데 필요한 열량)
③ 1 CHU : 1 lb의 순수한 물을 온도 14.5℃~15.5℃까지 올리는데 필요한 열량이다.
※ 열량 : 어떤 물체의 온도를 변화시키는 에너지의 한 형태로 어떤 물질이 보유하고 있는 열의 많고 적음
(3) 일과 동력
시간당 행한 일을 동력 또는 공률이라 하며 단위로는 PS(Pferdestark), HP(Horse Power), ㎾(Kilo Watt) [ft·lb/sec] 등이 사용된다.
* 일
① 일 = 힘 * 거리
② 일의 단위는 ㎏·m 또는 ft·lb가 사용된다.
이들의 관계는 1㎏·m = 7.233 ft·lb
③ 일과 열의 수량적 관계
1 ㎏·m = 1/427 ㎉ = 9.8 J
1 ㎉ = 427 ㎏·m
A = 1/J = 1/427 [㎉/㎏·m] = 1/778 [Btu/ft·lb]
1 ㎾-h = 102[㎏·m]/1[sec] * 3600[sec]/1[hr] * 1[㎉]/427[㎉/㎏·m] = 860 ㎉
1 ps-h = 75 [㎏·m]/1[sec] * 3600[sec]/1[hr] * 1[㎉]/427[㎉/㎏·m] = 632 ㎉
1 PS = 75 [㎏·m/sec]
1 HP = 76 [㎏·m/sec]
1 ㎾ = 102 [㎏·m/sec]
1 J = 0.24 ㎈
1 ㎈ = 4.18 J
(4) 비열과 열용량
1) 비열
① 비열이란 어떤 물체의 단위중량당 1㎏을 온도 1℃만큼 상승시키는 열량을 말하며 단위는 ㎉/㎏·℃이다.
1 ㎉/㎏·℃ = 1 BTU/lb·℉ = 2205 CHU/lb·℃
② 평균비열은 표준대기압 상태에서 순수한 물 1㎏을 0℃에서 100℃까지 올리는데 필요한 총 열량을 100등분한 것이다.
③ 정적비열(Specific Heat At Constant Volume)은 열을 가할 때 체적을 일정하게 하면 압력이 높아지고 분자간의 충돌에 의해 열이 발생하므로 일정한 체적상태에서 기체 1㎏의 온도를 1℃올리는 데 필요한 열량을 말하며 C(v)로 나타낸다.
④ 정압비열(Specific Heat At Constant Pressure)은 일정한 압력 상태에서 기체 1㎏의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량을 말하며 C(p)로 나타낸다. 언제나 같은 기체라도 정압비열이 정적비열보다 많은 열이 필요하기 때문에 정압비열이 정적비열보다 크다.
⑤ 비열비 [κ]
비열비(Specific Heat Ratio)의 값은 항상 1보다 크고 비열비가 클수록 기체는 압축 후 토출가스 온도가 상승한다.
κ = C(p) / C(v), C(p) > C(v)이므로 κ는 항상 1보다 크다. (☞ 제 1 편 냉동기계 제 1장 냉동의 기초 열역학 참조)
2) 열용량 (熱容量, Heat Capacity)
① 어떤 물질의 온도를 1℃ 상승시키는 데 필요한 열량이며 그 단위는 ㎉/℃이다.
열용량 = 비열 * 질량, 비열 = 열용량 / 질량
Q = G * C [㎉/℃], Q = C / G [㎉/㎏·℃] G : 질량 [㎏], C : 비열 [㎉/㎏·℃]
② 일반적으로 질량이 동일할 경우 열용량이 크면 비열이 크다.
(5) 현열과 잠열
1) 현열, 감열 (顯熱, 感熱, Sensible Heat) : Q = G * C * Δt (무게 * 비열 * 온도차)
어떤 물체에 열을 가하면 그 물체의 온도가 상승한다. 이때 온도를 상승시킨 열량을 현열이라 하며 계속 상승하다 상(相)이 변하는 온도가 되면 온도 상승은 멈추고 상(相)이 변한다. 즉, 고체가 액체로 액체가 기체로 변하는 현상이다.
가해진 열량 Q눈 물체의 온도상승 Δt와 물체의 중량 G에 비례하며 여기서 상수 C는 비열이다(상태변화 없이 온도변화에 소요되는 열).
2) 잠열 (潛熱, Latent Heat) : 온도변화 없이 상태변화에만 필요한 열량
물질에 열을 가하여 상태의 변화를 일으킬 때에는 온도가 상이 변하는 온도에서 일정하게 고정되며 열만을 흡수한다. 이 때 흡수한 열을 잠열이라 한다.
① 고체가 액체로 변할 때 소요되는 열량을 융해잠열이라 하며 얼음의 융해잠열은 0℃에서 79.68㎉/㎏이다.
② 액체가 기체로 변할 때 소요되는 열량을 기화잠열이라 하며 물의 기화잠열은 100℃에서 539㎉/㎏이다.
③ 100℃의 포화수 1㎏이 100℃의 증기로 상변화할 때 증발잠열은 539㎉/㎏이다.
④ 보일러에서 압력이 상승하면 포화온도가 포화온도가 높아지면서 잠열이 감소하고, 잠열은 압력에 따라 변화하며 또한 잠열은 단위 질량당으로 표시한다.
Q = G * r (r : 고유잠열 [㎉/㎏])
⑤ 보일러에서 임계압력에 도달하면 증발잠열이 0㎉/㎏이 되며 액체, 기체의 구별이 없어진다(임계압력 = 225㎏/㎠, 임계온도 = 374.15℃).
(6) 엔탈피와 엔트로피
1) 엔탈피 (Enthalphy)
어떤 상태의 유체 1㎏이 가지는 열에너지이며 유체가 가지는 내부에너지와 체적을 차지하기 위한 유동일, 즉 기계적 일의 합과 같다. u, P, V는 모두 상태가 정해지면 결정되는 값(상태값)으로 h 역시 상태만으로 정해지는 상태함수이다. 따라서 물체의 상태량에 의해서만 결정된다.
물체에 압력을 일정하게 유지하고, 온도 t(0)에서 온도 t까지의 상태로 변화시킬 때 외부에서 공급해야 하는 현열과 잠열의 합을 엔탈피(Enthalphy)라 하며 열역학적으로 매우 중요한 상태량으로 다음과 같이 정의된다.
2) 엔트로피 (Entropy) : 열역학 제 2법칙에 의한 상태량
단위중량의 물체가 일정온도하에서 얻은 열량(엔탈피)을 그 절대온도로 나눈 값을 엔트로피라 하며 단위는 ㎉/㎏·˚K로 표시하고 0℃ 포화액의 엔트로피를 1로 한다.
(7) 압력 (壓力, Pressure)
압력은 단위면적에 작용하는 수직방향의 힘으로 물리학에서는 0℃ 수은주 760㎜의 무게가 1㎠의 면적에 작용하는 표준압력에 해당하는 것이 1기압이며 atm(Atmosphere)의 약호를 기호로 쓴다.
1) 표준대기압 (atm)
0℃의 수은주로 760㎜에 상당하는 압력을 표준대기압이라 하며 760㎜Hg 또는 1 atm의 기호로 표시한다.
2) 공학기압 (at)
3) 게이지압 (㎏/㎠·G) (abg)
대기압 상태를 0으로 기준하여, Gauge로 측정한 압력이다.
게이지압력 = 절대압력 - 대기압
단위 : ㎏/㎠·g, lb/in²·g
4) 절대압력 (abs)
절대압력은 완전 진공상태를 0으로 기준하여 측정한 압력이다.
절대압력 = 대기압력 + 게이지압력
단위 : ㎏/㎠·a, lb/in²·a
5) 진공압력 (atv)
대기압보다 낮은 압력이다.
진공압력 = 대기압력 - 절대압력
진공도 = 진공압력/대기압력 * 100(%)
6) 수주 (mH₂O, mAq)
10 mH₂O = 10,000 ㎜H₂O = 10,000 ㎏/㎡ = 1 ㎏/㎠
7) 비체적, 비중량, 비중, 밀도
㉮ 비체적, 비용적, 부피 (Specific Volume)
단위질량의 물체가 차지하는 체적이 비체적이다. 그 단위는 ㎥/㎏으로 사용되며 밀도의 역수이다.
단위체적의 질량을 밀도라 하고, ㎏/㎥으로 단위가 사용되며 단위체적의 질량이다.
단위체적의 중량이며 단위는 ㎏f/㎥이다.
표준물질의 밀도에 대한 어떤 물질의 밀도비이며 단위는 없고, 표준물질로는 4℃의 순수한 물을 사용한다.
(8) 열의 이동
열은 고온체에서 저온으로 이동하는데 온도차가 클수록 이동하는 열량이 증가하고 전도, 대류, 복사가 있다. 즉, 열이동을 전열이라 한다.
1) 열전도 (Conduction) : 고체간의 열 이동 - 퓨리에의 법칙
물체 내부에서 열이 이동되는 현상으로 물체 내부로 고온부에서 저온부로 이동되는 현상으로 열관류율은 다음과 같다.
※ 퓨리에의 열전도 법칙 : 고온체의 열이 고체의 벽을 통해 저온체로 이동
㉮ 열전도율 [λ : ㎉/m·h·℃]
㉯ 열전달율 [α : ㎉/㎡·h·℃] : 전열면에 수직방향의 온도기울기에 비례한다.
① 벽체가 1개인 경우
2) 열관류율, 열통과율 (K : ㎉/㎡·h·℃)
전도와 전달이 함께 이루어지는 것으로서 고온의 유체에 고체의 물질을 통과하여 저온의 유체에 열이 이동되는 것을 말하며 이 경우에는 전도, 대류, 복사의 모든 작용이 이루어진다.
㉮ 열관류율 [K]
3) 대류 (Convection Heat Transfer) : 밀도차에 의한 열의 이동
액체나 기체는 열팽창에 의하여 밀도가 변하고 그 각 부분은 순환운동을 하면서 온도가 변한다. 유체의 밀도차에 의해서 자연히 열이 이동되는 것을 자연대류(Natural Convection)라고 한다. 또한 송풍기나 배풍기 등을 이용하여 밖으로 강제로 열을 이동시키는 것을 강제대류(Forced Convection)라 하고 에어컨이 그 예이며 대류 열전달량 Q [㎉/h]는 다음과 같다.
4) 복사 (Radiation Heat Transfer) : 복사(방사)열에 의한 열의 이동
난로에서 열이 직접 전달되어 따뜻함을 느끼는 것과 같이 열이 중간에 다른 물질을 통하지 않고 직접 이동하는 현상을 말한다. 즉, 열선에 의해서 열이 이동하는 현상이다.
완전흑체 표면에서의복사열 전달율은 절대온도의 4제곱에 비례한다(단, 물질에 의하여 또 표면의 상태 등에 의하여 동일온도라 할지라도 단위면적당 발산하는 복사 열량은 달라진다).
(9) 열역학 법칙
일을 할 수 있는 능력을 에너지(Energy)라고 하며 여러 에너지 중 기계적인 에너지에는 위치에너지와 운동에너지가 있으며, 이 위치에너지와 운동에너지의 합을 역학적에너지 또는 기계적에너지라고 부른다. 물질에 열을 가하거나 혹은 외부로부터 물질에 일을 할 경우 그 물질이 열을 밖으로 내보내거나 외부에 대하여 일을 하지 않는다면 물질이 받은 열이나 일은 내부에 저장된다고 생각할 수 있다. 이것을 내부에너지라 한다.
1) 열역학 제0법칙 (열평형의 법칙)
온도가 서로 다른 두개의 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가고 낮은 온도인 물체의 온도는 올라가서 결국 두 물체의 온도는 같게 된다. 여기서 열역학 제0법칙은 "2개의 물체가 또 다른 물체와 서로 열평형을 이루고 있으면 그 두 물체는 서로 열평형 상태에 있다"라고 표현된다.
2) 열역학 제1법칙 (에너지 보존의 법칙, 에너지 불변의 법칙)
모든 물체의 에너지는 일정하며 자기 스스로 생겨나거나 소멸되지 않고 감소하지도 않는 영원불멸의 법칙이다. 또한 열은 기계적인 일로 변환이 가능하고 기계적 일은 변환할 수 있어 열과 일은 일정한 비율로 서로 변환이 가능하다. 열량의 단위인 ㎉와 일의 단위인 ㎏·m 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
열원으로부터 흡수된 일정량의 에너지로 영원히 일을 할 수 있는 기관으로 실제로 존재하지 않는다.
3) 열역학 제2법칙
일을 할 수 있는 능력에 관한 법칙으로 열은 기계적인 일 없이는 스스로 저온부에서 고온부로 이동할 수 없다. 따라서 일은 모두 열로 변환할 수 있으나, 열을 일로 변환할 경우에는 반드시 손실이 발생한다. 그러므로 열기관에서 그 작업물질로 하여금 일을 시키려면 그 보다 저온의 물체를 필요로 한다.
* 제2종 영구기관
열원으로부터 받은 열량을 전부 일로 변환시키며 열손실이 전혀 없는 기관. 즉, 100%의 효율을 갖는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
4) 열역학 제3법칙 (절대 0도의 법칙)
어떤 이상적인 방법으로도 절대온도 0˚K(-273.16℃)이하로 할 수 없다.
(10) 기체에 관한 법칙
1) 보일의 법칙
일정한 온도에서 기체 부피는 그 압력에 반비례하여 증감한다.
2) 샤를의 법칙
압력이 일정한 경우 기체의 부피는 그 온도에 비례하여 증감한다.
3) 보일-샤를의 법칙
일정량의 기체 부피는 압력에 반비례하고, 절대온도에 비례한다.
2. 증기 (蒸氣, Vapor)
(1) 용어해설
① 포화온도 (飽和溫度, Saturated Temperature)
어느 압력 하에서 액체를 가열시킬 경우 일정온도에 도달하면 그 이상 온도가 상승하지 않는 한계의 온도를 그 압력에 대한 포화온도라고 한다.
② 포화증기 (飽和蒸氣, Saturated Vapor)
포화온도에 도달한 물, 즉 포화수를 가열하면 증발이 일어나 증기가 발생되는데 계속 가열함으로써 물의 양이 줄고 증기의 양이 늘어나 물이 없어질 때까지 증발이 계속된다. 이렇게 해서 생긴 증기를 포화증기라 하며 여기에는 습포화증기와 건포화증기가 있다. 이 포화온도에서 생성된 증기를 포화증기(飽和蒸氣, Saturated Vapor)
포화액과 포화증기가 서로 공존하고 있는 상태. 즉, 발생증기가 수분을 포함한 상태로 수격작용의 원인이 된다. 이 때의 증기를 습포화증기(濕飽和蒸氣, Wet Vapor) 또는 습증기라고 한다.
④ 건조도 (乾燥度, Dryness)
증기의 함량을 말한다. 1㎏의 습증기 속에 X ㎏가 증기이고, 나머지 (1-X) ㎏이 액체일 때, 이 X를 건조도(乾燥度, Dryness)라고 말하며, (1-X)값을 습도(濕度, Wetness)라고 한다.
⑤ 건포화증기 (乾飽和蒸氣, Dry Vapor) : 건조도 X = 1
증기에 수분이 포함되지 않은 증기를 말한다.
⑥ 과열증기 (過熱蒸氣, Superheated Vapor)
건조증기를 더욱 가열하여 증기의 온도를 포화온도 이상으로 가열된 상태의 증기를 말한다.
⑦ 과열도 (過熱度)
과열증기온도와 그 압력 밑에서의 포화증기온도의 값. 이 과열도가 커짐에 따라 증기는 완전가스의 성질에 가까워진다.
⑧ 끓는점 (沸騰點, Boiling Point)
액체가 열을 흡수하여 어느 온도에 이르면 증발(기화)하기 시작한다. 이 때의 온도를 끓는점이라고 한다.
⑨ 포화수(액) (飽和水(液)) : 100℃의 물 - 건조도가 0인 상태
포화온도 상태의 물을 포화수(Saturated Water)라고 한다.
→ 포화압력에 도달된 액체로 압력이 올라가면 포화온도도 상승한다.
⑩ 증발 (蒸發, Evaporation)
액체가 끓는점에 이르러 기체로 변하는 것을 증발(Evaporation)이라 한다.
→ 포화압력 상승시 포화온도는 높아지나 증발잠열은 작아진다(즉, 증기가 가지는 엔탈피는 많아져 열의 이용도가 높아진다).
※ 증기압력이 상승하면 잠열의 감소로 임계점상태에서 잠열은 0이 된다.
(2) 증기 중 수분의 장해와 과열증기의 특징
1) 증기속에 수분이 많을 때의 현상
① 건조도가 저하된다.
② 증기의 엔탈피가 감소한다.
③ 응축수가 증가한다.
④ 증기배관 내에 수격작용(Water Hammer)이 발생한다.
⑤ 장치의 부식이 발생된다.
⑥ 증기기관의 열효율이 떨어진다.
2) 과열증기의 특징
① 열효율이 증가한다.
② 같은 압력의 포화증기에 비해 보유열량이 많다.
③ 증기의 마찰손실이 적다.
④ 원동소 터빈의 날개나 증기기관 등의 부식이 적다.
⑤ 증기소비량이 적어도 된다.
⑥ 가열표면의 온도가 균일하지 못하다.
⑦ 가열장치에 큰 열응력이 발생한다.
3) 고압증기의 단점
① 배기가스의 손실이 커진다.
② 보일러 동체의 표면 방열손실이 커진다.
③ 안전 관리상의 위험이 따른다.
④ 배관 부속품의 누설개소에서 열손실이 초래된다.
⑤ 응축수량이 많아지고 증발 손실률이 증가한다.
⑥ 증기배관의 압력손실이 증가한다.
⑦ 각종 관내 및 이음부에 수격현상이 초래되어 배관의 수명이 짧아진다.
4) 증기의 압력이 높을 때의 사항
① 포화온도가 상승한다.
② 증발잠열이 감소한다.
③ 증기의 엔탈피가 증가한다.
④ 보일러 통이나 배관에 무리가 온다.
⑤ 습증기 발생이 심해진다.
⑥ 연료의 소비가 증가한다.
⑦ 포화수 엔탈피가 증가한다.
⑧ 포화수와 포화증기의 비중량 차가 적어진다.
⑨ 비수방지관이나 기수분리기가 필요하다.
⑩ 포화증기의 비체적이 작아진다.
(3) 임계점 (臨界點, Critical Point)
임계점(臨界點, Critical Point)이란 포화수의 증발현상이 없고, 액체와 기체의 구별이 없어지는 지점을 말하며 증발잠열이 0 ㎉/㎏가 된다. 즉 습증기로서 체적팽창의 범위가 0이 된다.
1) 임계상태의 특징
① 포화수와 포화증기간의 비체적이 같다.
② 증발현상이 없어진다.
③ 증발잠열이 0 ㎉/㎏이다.
2) 물의 임계압력과 임계온도
① 임계압력 : 225.65 ㎏/㎠ abs이다.
② 임계온도 : 374.15 ℃이다.
③ 증발을 시작하는 지점과 그것을 끝내는 점이 같게 되는 임계점이 된다.
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출처 : 학성산의 행복찾기
글쓴이 : 학성산 원글보기
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