목차
1. 열기관[heat engine]의 개념 및 원리
(1)열기관의 개념
(2)열기관의 원리
1. 열기관의 기초이론
2. Cycle 형식
① 4 stroke engine
1)흡입행정
2)압축행정
3)동력(폭발)행정
4)배기행정
❏ 장점
❏ 단점
② 2stroke engine (2행정 기관)
1) 피스톤 상승 행정
2) 피스톤 하강 행정
❏ 장점
❏ 단점
③4행정기관과 2행정기관의 공통점과 차이점
3. 열역학적 분류
4. 점화 방식
5. 카르노(Carnot)의 정리-열기관의 가장 이상적인 형태인 카르노 사이클
①카르노 사이클이란?
②열기관에서의 카르노 사이클
③ 카르노 사이클의 과정선도
④ 카르노 기관과 P-V선도상에서의 일
⑤ 이상기체의 카르노 기관
2. 열기관의 종류
(1)외연기관
1. 개념
2. 특징
3. 종류
(2)내연기관
1. 개념
2. 특징
3. 종류
① 피스톤기관
② 가스터빈
③ 로터리엔진
④ 제트엔진
⑤ 로켓엔진
(1)열기관의 개념
(2)열기관의 원리
1. 열기관의 기초이론
2. Cycle 형식
① 4 stroke engine
1)흡입행정
2)압축행정
3)동력(폭발)행정
4)배기행정
❏ 장점
❏ 단점
② 2stroke engine (2행정 기관)
1) 피스톤 상승 행정
2) 피스톤 하강 행정
❏ 장점
❏ 단점
③4행정기관과 2행정기관의 공통점과 차이점
3. 열역학적 분류
4. 점화 방식
5. 카르노(Carnot)의 정리-열기관의 가장 이상적인 형태인 카르노 사이클
①카르노 사이클이란?
②열기관에서의 카르노 사이클
③ 카르노 사이클의 과정선도
④ 카르노 기관과 P-V선도상에서의 일
⑤ 이상기체의 카르노 기관
2. 열기관의 종류
(1)외연기관
1. 개념
2. 특징
3. 종류
(2)내연기관
1. 개념
2. 특징
3. 종류
① 피스톤기관
② 가스터빈
③ 로터리엔진
④ 제트엔진
⑤ 로켓엔진
본문내용
은 했으며 내부 에너지는 변화하지 않았다.
2→3 과정은 열에너지의 출입이 없는 단열팽창 과정으로 여기에 에너지 보존 법칙을 적용하면 . 그런데 2→3 과정을 통해서 팽창하였으므로 한 일 w는 +이다. 그리고 높은 온도 TH 에서 낮은 온도 TL 로 바뀌었으므로 내부 에너지는 감소하였다.
(공식2)
결과적으로 한 일 만큼 내부에너지는 감소하였다.
3 → 4 과정은 등온 수축과정이며, 등온이었으므로 내부 에너지의 변화는 없다. 이 과정에서 한 일의 양은
(공식3)
이며 외부로부터 일을 받은 일 w3-4 는 -값이다. 그런데 이므로 받은 열량은 시스템이 한 일의 양과 같으며 부호는 -이다. 시스템이 열을 외부로 방출한다는 뜻이다.
4→1 과정도 마찬가지로 해석할 수 있다. 외부와 단열되었으므로 열전달량 q 는 없고, w의 부호는 -이다. 에너지는 증가하게 되고 그 만큼 외부에서 일을 해주어야 한다.
한 사이클을 이루는 동안 받은 열량과 한 일의 비율이 열효율이다. 열기관이 한 사이클 동안 한 일의 양 wnet 은 외부에 해 준 일과 외부에서 받은 일의 차이에 해당한다. 이 값은 P-V 선도에 그려진 사이클이 이루는 면적과 같아진다. 제 1법칙으로부터 wnet = qH - qL 이 되며 따라서 효율 η 는
(공식4)
(공식5)
한편, 2→3과 4→1의 단열과정에서는의 관계가 성립한다.
,
이다. 따라서 (공식5) 로 표시되었던 이상기체 카노사이클의 열효율은
(공식6)
로 표시할 수 있다. 이상기체를 이용한 카노기관의 효율은 시스템이 열을 주고받는 온도만의 함수로 결정된다.
2. 열기관의 종류
(1)외연기관
1. 개념
열기관의 하나로써 보일러 또는 가열기의 전열면(傳熱面)을 통해서 가열된 작동유체 (作動流體:물 또는 기체)에 의해 동력을 일으키도록 하는 열기관이다. 기관의 몸체와는 별도로 연소장치를 가지고 있기 때문에 비교적 나쁜 연료를 이용할 수 있으나, 대개 전열효율이 나쁘고 대형이다. 증기기관 ·증기터빈 ·클로즈드 가스터빈 등이 대표적인 예이다.
2. 특징
내연기관에 비해 열효율이 낮고 설비가 크다.
3. 종류
석탄을 태워 수증기 압력으로 움직이는 증기 기관차 및 무연탄이나 유연탄을 태워 수증기 힘으로 터빈을 돌려 전기를 일으키는 화력발전소, 그리고 스털링엔진등이 있다.
(2)내연기관
1. 개념
연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관.
2. 특징
연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말한다. 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많으나, 가스터빈·제트기관·로켓 등도 내연기관이다.
내연기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등으로 분류된다. 석유·가스·가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤기관은 연료를 고온·고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킨다. 피스톤의 행정 동작에 따라 4행정·2행정 사이클 방식이 있다.
내연기관(왕복운동형)에서 압축되는 전용적(全容積)과 압축되지 않고 남은 용적과의 비를 말한다. 즉 왕복형이기 때문에 상사점(上死點)과 하사점(下死點)에 있어서의 실린더용적의 비가 된다. 압축비를 높이면 마력이나 연료소비의 성능은 좋아지나, 기계적 손실은 커진다. 불꽃으로 점화하는 내연기관에서는 압축비가 5∼8, 압축하여 점화하는 기관에서는 압축비가 보통 15∼18이다.
3. 종류
① 피스톤기관
실린더 속에서 피스톤이 왕복운동을 한다는 점에서는 증기기관과 같지만, 본체 내에 연료의 연소기구를 갖고 있다는 점이 다르다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 가솔린기관과 디젤기관이다. 가솔린기관은 가솔린을 기화시켜 공기와 혼합시키기 위한 기화기와 전기불꽃에 의한 점화장치 등을 구비하고 있다. 디젤기관은 중유 또는 경유를 사용하며 공기가 피스톤에 의해 압축된 상태에 있을 때 연료가분사, 점화되어 폭발하는 것으로서 기화기와 점화장치 대신 연료분사장치를 갖고 있다.
② 가스터빈
공기압축기에 의해 고압이 된 공기와 연료분사밸브에서 분사된 연료의 혼합물을 연속적으로 연소시켜 발생하는 연소가스로터빈을 회전시킨다. 터빈은 케이싱(casing) 안쪽에 고정된 노즐 날개와 그 바로 뒤에 있는 터빈축(회전축)에 고정된 터빈날개로 되어 있다. 또한 열효율을 좋게 하기 위하여 열교환기가 부착되어 있다.
③ 로터리엔진
케이싱 내부에 3각판 모양의 회전자(rotor)가 있다. 케이싱과 회전자 사이의 공간에서 연료가 폭발하여 회전자가 회전한다. 회전자는 그 안쪽에 새겨진 톱니바퀴와 맞물리는 톱니바퀴를 가진 회전축에 의해 회전된다.
④ 제트엔진
기관 내부에서 연료가 공기 중의 산소에 의해 연소되어 생기는 연소가스를 기관 뒤쪽 노즐로 분출시켜, 그 반작용으로 생기는 추력(thrust)에 의해 전방으로 추진하는 기관이다. 제트엔진에는 가스터빈을 사용하는 것과 사용하지 않는 것이 있는데, 가스터빈을 사용하는 것에는 터보제트·터보프롭(프로펠러를 사용하는 것) 등이 속한다. 또 가스터빈을 사용하지 않는 것은 고속으로 비행할 때 생기는 고압 공기를 연료의 연소에 이용하는 것인데, 유입공기에 대한 자동개폐밸브가 있는 펄스제트와 그것이 없는 램제트가 있다.
⑤ 로켓엔진
연소가스를 분출시켜서 추력을 얻는 점은 제트엔진과 같지만, 기관 내에서 고체 또는 액체 연료가 같은 기관 내에 있는 추진제에서 공급되는 산소에 의해 연소되며 공기를 전혀 필요로 하지 않는다는 점이 다르다. 고체연료로는 과염소산칼륨 등(추진제는 질산칼륨 등), 액체연료로는 알코올 등(추진제는 액체산소 등)이사용된다. 로켓엔진의 등장에 따라 비로소 우주비행이 가능하게 되었다.
출처
-내연기관공학/ Willard W. Pulkrabek/ 교보문고
-재료금속열역학/ Gaskell, David R/ 사이텍미디어
-기계열역학/ 김영기/ 구민사
-구글 이미지 검색
-http://faculty.fordham.edu/mcmahon/index_files
2→3 과정은 열에너지의 출입이 없는 단열팽창 과정으로 여기에 에너지 보존 법칙을 적용하면 . 그런데 2→3 과정을 통해서 팽창하였으므로 한 일 w는 +이다. 그리고 높은 온도 TH 에서 낮은 온도 TL 로 바뀌었으므로 내부 에너지는 감소하였다.
(공식2)
결과적으로 한 일 만큼 내부에너지는 감소하였다.
3 → 4 과정은 등온 수축과정이며, 등온이었으므로 내부 에너지의 변화는 없다. 이 과정에서 한 일의 양은
(공식3)
이며 외부로부터 일을 받은 일 w3-4 는 -값이다. 그런데 이므로 받은 열량은 시스템이 한 일의 양과 같으며 부호는 -이다. 시스템이 열을 외부로 방출한다는 뜻이다.
4→1 과정도 마찬가지로 해석할 수 있다. 외부와 단열되었으므로 열전달량 q 는 없고, w의 부호는 -이다. 에너지는 증가하게 되고 그 만큼 외부에서 일을 해주어야 한다.
한 사이클을 이루는 동안 받은 열량과 한 일의 비율이 열효율이다. 열기관이 한 사이클 동안 한 일의 양 wnet 은 외부에 해 준 일과 외부에서 받은 일의 차이에 해당한다. 이 값은 P-V 선도에 그려진 사이클이 이루는 면적과 같아진다. 제 1법칙으로부터 wnet = qH - qL 이 되며 따라서 효율 η 는
(공식4)
(공식5)
한편, 2→3과 4→1의 단열과정에서는의 관계가 성립한다.
,
이다. 따라서 (공식5) 로 표시되었던 이상기체 카노사이클의 열효율은
(공식6)
로 표시할 수 있다. 이상기체를 이용한 카노기관의 효율은 시스템이 열을 주고받는 온도만의 함수로 결정된다.
2. 열기관의 종류
(1)외연기관
1. 개념
열기관의 하나로써 보일러 또는 가열기의 전열면(傳熱面)을 통해서 가열된 작동유체 (作動流體:물 또는 기체)에 의해 동력을 일으키도록 하는 열기관이다. 기관의 몸체와는 별도로 연소장치를 가지고 있기 때문에 비교적 나쁜 연료를 이용할 수 있으나, 대개 전열효율이 나쁘고 대형이다. 증기기관 ·증기터빈 ·클로즈드 가스터빈 등이 대표적인 예이다.
2. 특징
내연기관에 비해 열효율이 낮고 설비가 크다.
3. 종류
석탄을 태워 수증기 압력으로 움직이는 증기 기관차 및 무연탄이나 유연탄을 태워 수증기 힘으로 터빈을 돌려 전기를 일으키는 화력발전소, 그리고 스털링엔진등이 있다.
(2)내연기관
1. 개념
연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관.
2. 특징
연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말한다. 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많으나, 가스터빈·제트기관·로켓 등도 내연기관이다.
내연기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등으로 분류된다. 석유·가스·가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤기관은 연료를 고온·고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킨다. 피스톤의 행정 동작에 따라 4행정·2행정 사이클 방식이 있다.
내연기관(왕복운동형)에서 압축되는 전용적(全容積)과 압축되지 않고 남은 용적과의 비를 말한다. 즉 왕복형이기 때문에 상사점(上死點)과 하사점(下死點)에 있어서의 실린더용적의 비가 된다. 압축비를 높이면 마력이나 연료소비의 성능은 좋아지나, 기계적 손실은 커진다. 불꽃으로 점화하는 내연기관에서는 압축비가 5∼8, 압축하여 점화하는 기관에서는 압축비가 보통 15∼18이다.
3. 종류
① 피스톤기관
실린더 속에서 피스톤이 왕복운동을 한다는 점에서는 증기기관과 같지만, 본체 내에 연료의 연소기구를 갖고 있다는 점이 다르다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 가솔린기관과 디젤기관이다. 가솔린기관은 가솔린을 기화시켜 공기와 혼합시키기 위한 기화기와 전기불꽃에 의한 점화장치 등을 구비하고 있다. 디젤기관은 중유 또는 경유를 사용하며 공기가 피스톤에 의해 압축된 상태에 있을 때 연료가분사, 점화되어 폭발하는 것으로서 기화기와 점화장치 대신 연료분사장치를 갖고 있다.
② 가스터빈
공기압축기에 의해 고압이 된 공기와 연료분사밸브에서 분사된 연료의 혼합물을 연속적으로 연소시켜 발생하는 연소가스로터빈을 회전시킨다. 터빈은 케이싱(casing) 안쪽에 고정된 노즐 날개와 그 바로 뒤에 있는 터빈축(회전축)에 고정된 터빈날개로 되어 있다. 또한 열효율을 좋게 하기 위하여 열교환기가 부착되어 있다.
③ 로터리엔진
케이싱 내부에 3각판 모양의 회전자(rotor)가 있다. 케이싱과 회전자 사이의 공간에서 연료가 폭발하여 회전자가 회전한다. 회전자는 그 안쪽에 새겨진 톱니바퀴와 맞물리는 톱니바퀴를 가진 회전축에 의해 회전된다.
④ 제트엔진
기관 내부에서 연료가 공기 중의 산소에 의해 연소되어 생기는 연소가스를 기관 뒤쪽 노즐로 분출시켜, 그 반작용으로 생기는 추력(thrust)에 의해 전방으로 추진하는 기관이다. 제트엔진에는 가스터빈을 사용하는 것과 사용하지 않는 것이 있는데, 가스터빈을 사용하는 것에는 터보제트·터보프롭(프로펠러를 사용하는 것) 등이 속한다. 또 가스터빈을 사용하지 않는 것은 고속으로 비행할 때 생기는 고압 공기를 연료의 연소에 이용하는 것인데, 유입공기에 대한 자동개폐밸브가 있는 펄스제트와 그것이 없는 램제트가 있다.
⑤ 로켓엔진
연소가스를 분출시켜서 추력을 얻는 점은 제트엔진과 같지만, 기관 내에서 고체 또는 액체 연료가 같은 기관 내에 있는 추진제에서 공급되는 산소에 의해 연소되며 공기를 전혀 필요로 하지 않는다는 점이 다르다. 고체연료로는 과염소산칼륨 등(추진제는 질산칼륨 등), 액체연료로는 알코올 등(추진제는 액체산소 등)이사용된다. 로켓엔진의 등장에 따라 비로소 우주비행이 가능하게 되었다.
출처
-내연기관공학/ Willard W. Pulkrabek/ 교보문고
-재료금속열역학/ Gaskell, David R/ 사이텍미디어
-기계열역학/ 김영기/ 구민사
-구글 이미지 검색
-http://faculty.fordham.edu/mcmahon/index_files
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