간략한 요약
이 강의에서는 브레이턴 사이클의 효율을 향상시키는 데 사용되는 인터쿨링, 재열, 재생의 개념을 설명합니다. 재생기는 터빈에서 나오는 뜨거운 공기를 사용하여 열교환기 전에 압축된 공기를 예열하여 필요한 열량을 줄이고 효율을 높입니다. 인터쿨링은 압축과 냉각을 결합하여 압축 과정에서 열을 제거하여 등온 압축에 가깝게 만듭니다. 재열은 터빈에서 팽창하는 동안 열을 추가하여 유사한 효과를 얻습니다.
- 재생기는 터빈 배기 가스의 열을 사용하여 압축 공기를 예열하여 효율을 향상시킵니다.
- 인터쿨링은 압축 중에 열을 제거하여 압축에 필요한 작업을 줄입니다.
- 재열은 터빈 팽창 중에 열을 추가하여 터빈에서 생성되는 작업을 증가시킵니다.
브레이턴 사이클 요약
브레이턴 사이클은 압축된 차가운 공기와 연료를 혼합하여 연소시켜 터빈에서 고압 및 고온의 형태로 에너지를 생성하는 과정으로 구성됩니다. 개방 시스템이므로 분석하기가 더 어렵기 때문에 터빈에서 배출되는 뜨거운 공기가 열교환기를 통과하여 열을 잃고 압축기로 차갑고 신선한 공기로 들어오는 것으로 가정합니다. 열을 추가하는 열교환기 장치와 함께 일반적인 브레이턴 사이클을 폐쇄 시스템 사이클로 단순화할 수 있습니다.
인터쿨링 재열 및 재생
인터쿨링, 재열 및 재생은 브레이턴 사이클의 낮은 효율을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 재생기는 터빈 후의 온도(4)가 압축된 공기(2)보다 여전히 높기 때문에 열교환기에서 공기를 가열하기 전에 터빈에서 나오는 뜨거운 공기로 공기를 "예열"하는 것이 좋습니다.
재생기
재생기는 4에서 열을 가져와 가능한 한 많이 2로 전달하여 필요한 열량(Qin)을 줄입니다. 재생기는 열교환기일 뿐이며, 4에서 뜨거운 가스를 가져오고 2에서 차가운 가스를 가져와 열을 교환합니다. 이 열(Q regen)은 4에서 2로 이동합니다. 이제 더 따뜻해진 가스는 상태 5에 있고 더 차가워진 배기 가스는 상태 6에 있습니다. 작업량은 변하지 않았지만 필요한 Q_in을 줄였으므로 효율이 효과적으로 증가합니다.
재생 Ts 다이어그램
Ts 다이어그램에서 이 변화는 두 개의 일정한 압력선과 1에서 2, 3에서 4로의 프로세스를 갖습니다. 이제 중간 단계가 있습니다. 상태 2 후의 상태 5와 상태 4 후의 상태 6입니다. 재생기의 열(Q_regen)은 6과 4 사이에서 2와 5 사이로 이동합니다.
재생기 효율
5는 4보다 높은 온도에 있을 수 없지만 필요한 Q_in을 최소화하기 위해 최대한 가까워지기를 원합니다. 이 때문에 재생기 효율에 관심을 갖습니다. 이 효율은 2에서 가스가 얻는 열 또는 에너지와 관련이 있으며, 따라서 실제 비엔탈피 변화를 최대 가능한 비엔탈피 변화로 정의합니다. 실제 변화는 2에서 5로, 즉 h5 - h2이고, 최대 변화는 2에서 4로, 즉 h4 - h2입니다. 재생기가 단열이라는 것은 효율과 관련이 없습니다. 재생기는 여전히 단열이라고 가정하며, 열교환기에 대한 일반적인 에너지 보존 방정식은 배기 가스에서 손실된 열(h4 - h6)은 압축 공기가 얻은 열(h5 - h2)과 같습니다.
인터쿨러
사이클을 더 효율적으로 만드는 데 도움이 되는 두 번째 장치는 인터쿨러입니다. 인터쿨링은 압축과 냉각을 결합하는 과정입니다. 등엔트로피 프로세스는 작업 입력을 최소화하지 않습니다. 가장 효율적인 유형의 열 전달은 등온 열 전달입니다. 압축하면서 열을 제거하여 등온 프로세스를 만들 수 있습니다. 실제로 압축, 열 제거, 압축, 열 제거 등을 수행합니다. 인터쿨러를 더 많이 사용할수록 효율이 높아지지만 어느 시점에서는 효율 증가가 시스템의 추가 복잡성에 비해 가치가 없습니다. 일반적으로 두 개의 인터쿨러가 전체 효율을 충분히 향상시킵니다.
인터쿨링 Ts 다이어그램
Ts 다이어그램에서는 이제 이전처럼 두 개가 아닌 세 개의 일정한 압력선이 필요합니다. 1에서 a까지는 인터쿨러의 압력으로의 등엔트로피 압축이 있고, a에서 b까지는 동일한 압력선에 머무르며, 일반적으로 1에서 가졌던 동일한 온도로 떨어뜨리려고 시도한 다음, 다시 등엔트로피적으로 상태 2로 압축합니다.
재열기
재열기는 터빈에서 중간에 열을 추가하여 일정한 온도에서 팽창하려고 시도함으로써 일정한 온도에서 압축하려고 시도하는 것과 동일한 효과를 얻습니다. 상태 3은 터빈을 통과하여 상태 c로 이동하고, 재열기라고 하는 열교환기를 통과하여 c에서 d로 이동하여 일정한 압력으로 열을 추가합니다. 그런 다음 두 번째 터빈이 d에서 4 프라임으로 이동합니다.
재생 예제
이상적인 브레이턴 사이클은 "이상적인" 재생기를 사용합니다. 즉, 재생기 후의 온도는 터빈 후의 배출 온도와 동일합니다. 공기가 15psi 및 540R에서 압축기로 들어가고 압력비가 9이고 최대 온도가 2200R인 경우 일정한 비열을 가정할 때 이 사이클의 열효율은 얼마입니까? 재생기가 없으면 효율은 얼마입니까?
예제 솔루션
사이클의 전체 효율은 열량에 대한 순 작업량입니다. 질량 유량 정보가 없으므로 특정 에너지 측면에서 작성할 수 있습니다. 순 작업량은 열량과 열량의 차이이며, 이를 열량 대 열량 비율로 1에서 뺄 수 있습니다. "이상적인 재생기"는 상태 3과 5의 온도를 동일하게 만듭니다. 최고 온도는 터빈 직전의 상태 4의 온도입니다. q_23은 재생기 q_regen에서의 열 교환이기 때문에 q_65와 같으므로 q_in은 3과 4 사이의 열이고 q_out은 6과 1 사이의 열입니다. 즉, q_out은 h6 - h1이고 q_in은 h4 - h3입니다. 일정한 비열을 사용하도록 요청했으므로 이러한 특정 엔탈피 값을 일정한 cp 값으로 작성할 수 있습니다. 따라서 효율 표현식은 온도 값으로 줄어듭니다. 사이클의 최대 온도이기 때문에 T4 값을 가지고 있습니다. 그리고 T1은 압축기 전의 온도이기도 합니다. 재생열은 5와 6 사이, 2와 3 사이에서 동일하고, T5 = T3이므로 T6은 T2와 같습니다. 효율 표현식에서 T6을 T2로, T3을 T5로 대체할 수 있습니다. T2와 T5가 주어지지 않았지만 압축기와 터빈이 모두 이상적인 브레이턴 사이클의 일부이므로 온도(찾고 있는 것)와 압력(주어진 것) 사이의 등엔트로피 관계를 사용하여 T2와 T5를 구할 수 있습니다. 공기에 대한 비열비 k를 찾아 대체하고, 온도를 대체하고, 압력비를 대체하여 T2와 T5를 구해야 합니다. 이를 효율 표현식에 대체하면 XX.X%를 찾습니다. 재생기가 없으면 효율이 어떻게 되는지 확인하려고 하면 상태 3과 6이 없으므로 q_out은 T5 - T1이고 q_in은 T4 - T2입니다. 온도 값 자체는 변하지 않았으므로 값을 대체하면 재생기가 없는 효율을 얻습니다. 이 특정 경우에는 효율 값의 차이가 크지 않지만 추가 외부 입력이 필요하지 않은 개선이므로 여전히 승리입니다.
