개념 한 쪽
공조냉동기계기사 엔진 — 보일러 열량과 터빈 일·열효율 계산
엔진 세트는 보일러·터빈·기관의 에너지 수지를 계산으로 묻는다. 보일러 가열량, 추출 증기량, 열효율, 마찰손실 열량, 터빈 출력, 복수기 냉각수량, 터빈 최대 일이 한 묶음에 들어온다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
뜻
보일러의 정압 가열량은 질량유량과 엔탈피 차이의 곱이다. 엔탈피 125kJ/kg인 물을 2940kJ/kg의 증기로 시간당 10톤 만들면 10,000kg/h×(2940-125)kJ/kg=2.815×10^7kJ/h가 된다. 터빈 출구 엔탈피는 보일러 가열량 계산에 쓰지 않는다.
터빈의 에너지 수지는 들어온 증기와 빠져나간 증기의 엔탈피 차로 출력을 구한다. 질량유량 1kg/s, 입구 3500kJ/kg, 추출단 3100kJ/kg, 출구 2500kJ/kg, 출력 900kW이면, 추출량을 m이라 할 때 1000-600m=900이 되어 m은 약 0.167kg/s다.
열효율은 출력 일률을 공급 열량으로 나눈 값이다. 100PS 가솔린 기관은 1PS=750W로 환산해 75kW의 출력을 내고, 시간당 20kg의 연료가 43470kJ/kg으로 연소하면 공급 열량은 869,400kJ/h다. 출력을 시간당 열량으로 바꾸면 270,000kJ/h이므로 효율은 약 31%다. 출력 10000kW, 연료 5000kg/h, 발열량 33440kJ/kg인 플랜트는 출력 36,000,000kJ/h를 공급 열량 167,200,000kJ/h로 나누어 약 21.5%가 된다. 출력 50kW, 연료 13kg/h, 발열량 45000kJ/kg인 기관도 출력 180,000kJ/h를 공급 열량 585,000kJ/h로 나누어 약 31%다.
마찰손실 열량은 손실 동력에 시간을 곱해 구한다. 15kW 디젤 기관에서 마찰손실이 출력의 15%이면 손실 동력은 2.25kW이고, 한 시간 동안의 열량은 2.25kJ/s×3600s=8100kJ이다. 터빈 출력은 비일과 질량유량의 곱이므로 360kJ/kg×200kg/h=72,000kJ/h를 3600으로 나누어 20kW가 된다.
복수기에서 시간당 1000kg의 증기를 응축할 때 필요한 냉각수량은 응축 열부하를 물의 비열과 온도차로 나누어 구한다. 건도 0.96인 증기의 엔탈피와 포화액 엔탈피의 차가 응축열이 되고, 15℃에서 25℃로 오르는 냉각수량은 약 54,700kg/h다. 터빈의 최대 일은 입출구 엔탈피 차이에서 열손실을 뺀 값이므로 130-10=120kJ/kg이고, 증기터빈에서 가장 이상적인 상태변화는 마찰 손실이 없는 가역단열변화다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 보일러 — 질량유량과 엔탈피 차이만 곱하고 터빈 출구 엔탈피는 빼며, 10톤/h·125→2940kJ/kg이면 2.815×10^7kJ/h다. ② 추출·출력 — 터빈 에너지 수지에서 추출량을 미지수로 두고 출력과 엔탈피로 방정식을 세우면 0.167kg/s이고, 360kJ/kg·200kg/h는 20kW다. ③ 열효율 — 출력을 kJ/h로 환산해 연료 열량으로 나누며, 100PS·20kg/h는 31%, 10000kW·5000kg/h는 21.5%, 50kW·13kg/h는 31%다. ④ 손실·복수기 — 마찰손실 15%는 8100kJ/h이고, 복수기 냉각수량은 응축열을 비열과 온도차로 나누어 약 54,700kg/h, 터빈 최대 일은 120kJ/kg이다.
자주 묻는 물음
- 보일러 가열량은 어떻게 계산하나요?
- 질량유량과 엔탈피 차이를 곱합니다. 엔탈피 125kJ/kg인 물을 2940kJ/kg의 증기로 시간당 10톤 만들면 10,000kg/h×(2940-125)kJ/kg=2.815×10^7kJ/h입니다. 터빈 출구 엔탈피는 보일러 가열량 계산에 쓰지 않습니다.
- 열효율 계산에서 단위는 어떻게 맞추나요?
- 출력을 kW에서 kJ/h로 바꾸려면 3600을 곱하고, 연료 열량은 시간당 연료량과 발열량을 곱해 구합니다. 100PS 가솔린 기관은 75kW로 환산해 출력 270,000kJ/h를 공급 열량 869,400kJ/h로 나누면 약 31%입니다. 10000kW 플랜트는 21.5%, 50kW 기관은 31%가 됩니다.
- 터빈 출력과 복수기 냉각수량은 어떻게 구하나요?
- 터빈 출력은 비일과 질량유량의 곱이므로 360kJ/kg×200kg/h=72,000kJ/h를 3600으로 나누어 20kW입니다. 복수기 냉각수량은 응축 열부하를 물의 비열과 온도차로 나누어 구하며, 건도가 주어지면 증기 엔탈피와 포화액 엔탈피의 차로 응축열을 계산합니다.
공조냉동기계기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.