[논문]엔트랜시 소산에 기반한 비가역 카르노 사이클의 최적 해석

김경훈

doi:10.3795/ksme-b.2017.41.2.087

엔트랜시 소산에 기반한 비가역 카르노 사이클의 최적 해석
Optimal Analysis of Irreversible Carnot Cycle Based on Entransy Dissipation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.2 = no.377, 2017년, pp.87 - 95

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과)

초록
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최근 들어 열전달 포텐셜에 해당하는 엔트랜시 개념이 제안되었으며 이는 열-일 변환 시스템의 해석이나 최적화에 유용하게 사용될 수 있다. 본 논문에서는 비가역 카르노 사이클에 대해 엑서지 균형방정식 해석과 대응해서 체계적인 엔트랜시 손실, 일 엔트랜시, 엔트랜시 소산의 개념에 기반한 엔트랜시 해석을 수행한다. 또한 시스템의 최적 성능을 나타내기 위해서 엔트랜시에 기반한 몇 가지 형태의 시스템 효율을 도입한다. 한번 사용된 열원이 추가적으로 사용되는 경우와 그렇지 않은 경우, 즉 덤핑 경우와 비덤핑인 경우에 대해 시스템 효율의 최적 조건에 대한 열원온도나 비가역 효율의 영향을 체계적으로 조사한다. 해석 결과는 엔트랜시에 의한 효율은 전통적인 에너지나 엑서지에 기반한 효율과는 다른 경향을 보여주며, 이는 열동력 시스템에서 또 다른 열원의 효과적인 사용 방법을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The concept of entransy has been proposed recently as a potential heat transfer mechanism and could be useful in analyzing and optimizing the heat-work conversion systems. This work presents an entransy analysis for the irreversible Carnot cycle by systematic balance formulations of the entransy loss, work entransy, and entransy dissipations, which are consistent with exergy balances. Additionally, several forms of system efficiency are introduced based on entransy for the appreciation of the optimal system performance. The effects of the source temperature and irreversible efficiencies on the optimal conditions for system efficiencies are systematically investigated for both dumping and non-dumping cases of used source fluid. The results show different trends in entransy efficiencies when compared to the conventional efficiencies of energy and exergy, and represent another method to assess the effective use of heat source in power generation systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 엔트랜시에 대한 연구는 매우 초기 단계이며 아직 알려지지 않은 면과 명확하지 않은 면들이 매우 많은 실정이다. 본 연구에서는 현열 에너지 형태의 열원을 사용하는 비가역 카르노 사이클에 의한 열-일 변환 시스템에서 비덤핑 과정과 덤핑 과정에 대한 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 과정에 대한 상사성과 효율을 상호 비교 해석하고자한다. 또한 비가역 효율이나 열원 온도의 변화에 따른 에너지, 엑서지 및 엔트랜시를 기반으로 하는 효율을 최대로 최적 조건에 대해 분석한다.

가설 설정

(2) 생산일이나 일 엔트랜시는 증발온도 변화에 따라 최대값을 갖는다.
(6) 덤핑 경우 최적 조건에서 에너지, 엑서지, 엔트랜시 및 엔트랜시 변환 효율은 열원온도나 비가역 계수의 증가에 따라 증가하지만 경향은 다르다.
비가역 계수가 커질수록, 즉 가역성이 커질수록, 시스템의 엑서지 공급에 대한 열원유체 유출에 의한 엑서지 파괴율은 작아지고 순생산일이나 응축기에서 엑서지 파괴 비율은 커지며, 터빈과 펌프에서의 엑서지 파괴 비율은 비가역 계수 변화에 따라 최대값을 갖는다. 엑서지 파괴 중 열원유체 유출에 의한 부분이 가장 크고 열교환기에서의 엑서지 파괴가그 다음으로 크다. 또한 비가역 계수가 커질수록 열원유체 유출에 의한 엔트랜시 소산 비율은 작아 지고 시스템 생산일이나 열교환기에서의 엔트랜시 소산은 커지며 응축기에서의 엔트랜시 소산은 비가역 계수 변화에 따라 최대값을 갖는다.
5에 열원온도의 함수로 보여준다. 열원온도가 증가함에 따라 시스템 순생산일과 열교환기에서의 엑서지 파괴율은 증가하고 열원유체 유출에 의한 엑서지 파괴율은 감소하는 반면 펌프, 터빈, 응축기, 응축기 출구에서 엑서지 파괴율은 열원온도의 변화에 대해 최대값을 갖는다. 엑서지 파괴 중 열원유체 유출에 의한 엑서지 파괴가 가장 크고, 약 600K 이하 에서는 터빈, 그 이상에서는 열교환기에서의 엑서지 파괴가 그 다음으로 크다.
6에 열원 온도의 함수로 보여준다. 열원온도가 증가함에 따라 일 엔트랜시와 열교환기에서의 엔트랜시 소산은 증가하고 열원유체 유출에의한 엔트랜시 소산은 감소하는 반면 응축기에서의 엔트랜시 소산은 열원온도의 변화에 대해 최대값을 갖는다. 약 900K 이하에서는 엔트랜시 소산 중 열원유체 유출에 의한 엔트랜시 소산이 가장 크고, 그 이상에 서는 열교환기에서의 엔트랜시 소산이 가장 크다.

제안 방법

(1) 본 연구에서는 엔트랜시 소산 개념과 엑서지 해석에 기반하여 비가역 카르노 사이클의 시스템 성능과 최적 조건을 덤핑과 비덤핑 조건에서 비교 해석하였으며 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 현열 에너지 형태의 열원을 사용하는 비가역 카르노 사이클에 의한 열-일 변환 시스템에서 비덤핑 과정과 덤핑 과정에 대한 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 과정에 대한 상사성과 효율을 상호 비교 해석하고자한다. 또한 비가역 효율이나 열원 온도의 변화에 따른 에너지, 엑서지 및 엔트랜시를 기반으로 하는 효율을 최대로 최적 조건에 대해 분석한다.
카르노 사이클은 두 개의 가역 등온과정과 두개의 가역 단열과정으로 구성되는데, 본 논문에서 해석하는 비가역 카르노 사이클은 두 개의 가역 등온과정과 비가역 압축과정 및 비가역 팽창과정 으로 구성된다. 현열 형태의 열원 유체는 열교환기에 온도 T_s 로 공급되어 T_sout으로 나가며, 냉각수는 온도 T_c 로 공급되어 T_cout으로 나간다고 설정한다.

대상 데이터

본 연구에서는 시뮬레이션을 위한 기본 데이터로 다음과 같이 사용한다; C_s = 1 kW/K, T_s = 600 K, T_L= 320 K, T_c = 300 K, T₀ = 300 K, ΔT_H = 10 K, ΔT_L = 10 K, η_H = η_L = 0.9이다.

성능/효과

(3) 에너지, 엑서지, 엔트랜시 및 엔트랜시 변환 효율은 덤핑의 경우 증발온도 변화에 따라 최대값을 갖지만 비덤핑의 경우 증발온도에 따라 증가한다.
(4) 생산일 최적 조건에서 열원온도나 비가역 계수가 증가하면 생산일이나 열교환기 엑서지 파괴 비율은 증가하고 열원유체 유출에 의한 엑서지 파괴 비율은 감소한다.
(5) 엑서지 경우와 상사하게 일 엔트랜시 최적 조건에서 열원온도나 비가역 계수가 증가하면 일엔트랜시나 열교환기 엔트랜시 소산 비율은 증가 하고 열원유체 유출에 의한 엔트랜시 소산 비율은 감소한다.
10에서는 덤핑 경우에 증발온도에 대한 무차원 파라미터의 최적 조건에서 비가역 계수의 변화가 무차원 계수들에게 미치는 영향을 보여준다. 에너지, 엑서지 및 엔트랜시에 기반한 모든 효율 들은 비가역 계수가 커질수록, 즉 가역성이 커질 수록 효율이 높아진다. 효율 중에서 에너지 효율이 가장 낮고 엔트랜시 변환효율이 가장 높으며 엑서지 효율의 변화가 가장 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열역학 관점에서 엔트랜시 소산은 어떤 척도가 될 수 있는가?	(1) 엔트랜시 소산(entransy dissipation)은 열전달로 인한 엔트 랜시의 손실로서 정의되며 고립계에서 엔트랜시 소산은 항상 감소한다는 사실이 증명되었다.(2) 열역학 관점에서 보면 열전달은 비가역이고 비평형 과정인데 엔트랜시 소산은 열전달 과정의 비가역 성의 또 하나의 척도가 될 수 있다.(3)
	엔트랜시(entransy)는 무엇인가?	열전달과 전기 전도의 상사성에서 보면 온도는 전압에 대응하고 열전달은 전류에 대응하며 열저 항은 전기저항에 대응하는데 전기에 있어서 축전 기의 전기 포텐셜 에너지에 대한 열전달의 대응 개념은 없다. 최근 들어 축전기의 전기 포텐셜 에너지에 대한 열전달의 대응 개념으로서 새로운 물리량인 엔트랜시(entransy)가 제안되었다.(1) 엔트랜시 소산(entransy dissipation)은 열전달로 인한 엔트 랜시의 손실로서 정의되며 고립계에서 엔트랜시 소산은 항상 감소한다는 사실이 증명되었다.
	엔트랜시 균형방정식는 어떻게 나타낼 수 있는가?	엔트랜시는 G = UT/2와 같이 정의할 수 있는데 여기에서 U는 시스템에 저장되는 내부에너지이며 절대온도 T는 열적 포텐셜이라 할 수 있다. 질량 출입을 포함하는 개방계에서 질량 유동에 의한 엔탈피 엔트랜시(enthalpy entransy)는 G = HT/2라 정의할 수 있으며 여기에서 H는 질량유동의 엔탈피 이다.(18) 열교환 장치의 입구와 출구에서 흐르는 유체의 엔트랜시는 다음과 같이 쓸 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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