연료·열·전기 열관리 실무

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● 구조 : 원통(코크란), 노통(코니쉬 A=πDL, 랭커셔 A=4DL, t=10PD/C, girder stay, gusset stay, breathing space, adamson joint, galloway tube), 연관(A=πD'Ln,케와니), flue smoke tube(스코치, 하우덴 존슨), 자연순환(바브콕, 다쿠마, 스털링, 스네기찌, 야로우, 2동D형, baffle plate), 강제순환(라몽트, 벨록스), 관류(벤슨, 슐져, 순환수량/증기량=1), 간접가열(슈미트, 레플러)​​

○ 제0법칙 : A와 B의 온도가 같고, A와 C의 온도가 같으면, B와 C의 온도(molecular motion의 척도)도 같습니다. 

○ 제1법칙 : 고립계의 총에너지는 일정하고, 계와 주변은 에너지를 일[m×R×온도비×1.3/0.3]과 열(427kgf·m/kcal)로서 교환합니다. 내부에너지는 분자의 활성과 배열에 관한 것이고, 엔탈피는 계가 흡수한 열량(등압)입니다.

○ 제2법칙 : 계가 지니는 potential이 감소하는 방향으로 엔트로피[S=k×lnΩ, ΔS=m×Cv×ln(온도비)×(1.3-k)/0.3]가 증가합니다.

○ 제3법칙 : 에너지는 기준 상태(0℃, 1atm)에 대한 상대량이지만, 엔트로피는 절대량입니다. 모든 물체는 0K(S→0)에서 완전한 결정인데, 어떠한 계도 0K에 도달할 수 없으므로 열효율 100%인 기관을 만들 수 없습니다.

○ 이상거동(mass) : 같은 T, P(상변화 시 ΔG=0)의 닫힌계 內 상들이 상평형에 도달하려면 chemical potential(열린계에 대한 열역학 제 1,2법칙의 합성)이 같아야 하는데, 실제 계산에서는 용액거동 모델(auxiliary function)을 사용합니다. 

● 연소장치(ACC) : 수압시험, 리벳[σ=W/{t(P-d)}, τ=4W/(π·d^2), η=W/(σ·t·P)], 열교환기의 전열량(kcal/hr)=K×A×LMTD

○ 급수장치(FWC) : 85℃, 수동력/축동력(kW)=γHQ/(102·η)/소요동력, 상사법칙, 비속도, h=(64/Re)·L·V^2/(2g·D), (워싱턴 펌프, injector, 환원기), 안전 저수위 50mm 아래에 급수내관 설치, fusible plug에 있어 Sn:Pb=10:3(용융온도 150℃)

○ (STC, SPC) : 압력계 부착 시 사이펀관, 동관은 안지름 6.5mm 이상, 강관은 12.7mm 이상, Φ = root(실제 열낙차/단열 열낙차)

● 과열기→재열기→절탄기, 공기예열기(통풍력 저하, 저온부식), 배기가스 절감열량(kcal/hr)=[Go+(m-1)·Ao]×C×Δt×Gf

○ 외부청소 : 래핑방식, soot blow, sand blast, steam shocking, water shocking, washing, steel shot cleaning

● Re=ρDV/μ=DV/ν=4Q/(πDν), 동압=전압-정압=V^2/(2g), 1atm(0℃, 위도 45˚)=10.332mH2O=101.325kPa=10,332kg/㎡=절대압(·a)-게이지압(·g)=절대압+진공압(·v), 모세관(cm)=4×cos각×표면장력(kgf/m)×100/직경(mm), Orsat(KOH 30%→알칼리 피롤갈롤→암모니아성 염화 제1구리, 16~20℃), Hempel(무수황산 25%), Gockel(옥소수은 칼륨, 황산 87%, 취화수소)

보일러 열정산 기준에서는 고위발열량을 적용하도록 함.

● 상당증발량=(급수량/비체적)×(증기엔탈피-급수온도)/539, 보일러 마력=상당증발량/15.65

● 열효율(KS B 6205)=연소효율×전열효율, 연소공기 20℃↑~연료량 1%↓, 배기가스 20~25℃↓~열효율 1%↑

○ 손상 : 팽출 및 압궤(과열), 가성취화 및 크랙(알칼리), lamination/blister, pitting, grooving, priming/foaming에 의한 carry over

○ 보존 : 석회 밀폐건조법(생석회 0.25kg/㎥), 질소가스 봉입법(0.06MPa), VCI 투입법, 만수 보존법, 가열 보존법

● 1EDR : 증기는 650kcal/hr·㎡, 온수는 450kcal/hr·㎡, 증발기→액분리기→압축기→응축기→수액기→팽창밸브

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【R=Cp-Cv, k=Cp/Cv, R×k/(k-1)=Cp】
★ 등온 일=m×R×T×ln(압력비 또는 부피비), 등온 ΔF=G×(848/29)×T×ln(절대압/대기압)/427
☆ 교축과정(등엔탈피)
☆ 가역단열과정(등엔트로피) 시 온도비=압력비^{(k-1)/k}=부피비'^(k-1), k→1.3
└ 노즐 팽창속도(등엔트로피)=root〔2×k×(8314/29)×T1×[1-(압력비}^{(k-1)/k}]/(k-1)〕
└ 노즐 출구속도(건포화증기)=root(854×g×엔탈피 차이+입구속도^2), 건도=1

ΔHf˚(표준 생성열): 단일 화합물 1몰 생성 시 나오는 열, 물 -285.83kJ, 수증기 -241.818kJ, 메탄 -160kJ
ΔH˚(표준 연소열): 완전 연소 시 엔탈피 차이, ΔH298˚(표준 반응열) : 반응물과 생성물의 엔탈피 차이

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★ Q-W=ΔU+ΔEk+ΔEp(흐름 과정이면 Q-Ws=ΔH+ΔEk+ΔEp, 비흐름 과정이면 Q-W=ΔU)
☆ 경로함수​(Q, W) → 불완전 미분, 상태함수(U, H) → 완전 미분, 세기 성질=크기 성질/단위량
☆ 정상상태: 시간에 따라 변하지 않는 상태, 평형상태: 어떠한 추진력(압력, 온도, 조성)도 없는 상태

dU=TdS-PdV+∑μi·dni(∵ 열역학 제1,2법칙)
dH=TdS+VdP+∑μi·dni(∵ H ≡ U+P·V)
dA=-SdT-PdV+∑μi·dni(∵ A ≡ U-T·S)
dG=-SdT+VdP+∑μi·dni(∵ G ≡ H-T·S)

제1종 영구기관: 열역학 제1법칙에 어긋나는 기관(∵ 에너지를 창조할 수 없음)
제2종 영구기관: 열역학 제2법칙에 어긋나는 기관(∵ 1cylce 시 상태 성질이 0)

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Statistical Thermodynamics(상태 합): 분자들이 모이면 에너지 분포가 생기는데, 이 분포의 평균 E는 그 계의 열역학 E와 같습니다. 그래서 분자의 에너지를 구하여 분배함수를 계산합니다.
continuous equilibrium=실제의 공정 성능/효율, non-equilibrium Thermodynamics: 변화의 방향성과 안정성

☆ 전도: 인접한 분자(혹은 금속 내 자유전자)에 운동에너지를 전달합니다.
☆ 대류(열전달율 5.56W/㎡·K): 분자 자신이 밀도 차이로 인해 이동하여 유체가 거시 혼합합니다.​
☆ 복사(스테판-볼츠만 상수×πDL×방사율)​: 표면은 열을 전자기파 형태로 전 방향 전달합니다.(≠ 0K, 복사율)

【흑체이면 α=1, 열평형이면 α=ε(emissivity)】 α(absorptivity)+ρ(reflectivity)+ζ(transmissivity)=1
【A1·F12=A2·F21】 view factor는 온도와 무관하고, 1보다 작습니다.