뻥튀기 기계의 효율성 증대를 위한 열역학적 설계

목차

1. 뻥튀기 기계의 소개

2. 뻥튀기 과정의 열역학적 변화 분석

3. 각 요소의 설계 변화를 통한 효율성 변화

본문내용

압력을 자체적으로 어느 한계 압력까지 유지하는 역할을하는 반면에, 뻥튀기에서는 쌀알 외부에서 인위적으로 가해주는 기계적 압력이 그 역할을 대신한다는 것이다.)
₄Q ■ = ₄W ■ +m(u■-u₄)
= 1/2(1100+100) (2.28915-0.1986) 0.3+(2696-2664) 0.3
= 385.90 kJ/kg
총 에너지 출입 과정
₁Q ■ = ₁W ■+m(u■-u₁)
=1217.42 kJ/kg
* 각각의 상태에서의 내부에너지는 열역학 교재에 포함된 CD를 이용하여 구함.
3. 각 요소의 설계 변화를 통한 효율성 변화
⑴ 질량 m의 변화를 통한 효율성 증대 설계
Q = m q
(Q는 heat change, q는 specific heat change)
전체열량은 specific heat와 질량의 곱과 같다. 따라서 specific heat가 일정할 때 질량을 줄임으로써 전체열량을 줄일 수 있다. 여기서 질량 m은 뻥튀기용 쌀 내부의 수분의 질량이므로 같은 질량의 뻥튀기 쌀에서 수분함량을 줄임으로써 원하는 효과를 거둘 수 있다.
초기설정이 전체 쌀의 질량이 2kg이었고, 수분함량이 15%였을 때를 기준으로 하여 초기수분 질량을 0.3kg으로 하므로, 초기설정에서 수분함량만을 변경하면 전체열량이 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.
기본적인 뻥튀기의 모양을 유지하기 위해서는 최소 10%에서 20% 사이의 수분함량을 요구하므로 그 범위 내의 질량변화를 고려하면 다음과 같다.
수분함량
질량
Q (kJ)
10%
0.2kg
243.48
15%
0.3kg
365.22
20%
0.4kg
487.97
위의 결과로 유추하면 수분함량이 10%일 때, Q = 243.48 kJ로써 가장 적은 값이 나오므로 수분함량이 10%인 쌀을 이용할 때, 가장 큰 절약을 기대할 수 있다. 따라서 수분함량이 10%인 쌀을 사용할 때, 가장 큰 효과를 기대할 수 있다. 일반적인 건조과정을 거치는 경우를 15%라고 볼 수 있으므로 좀 더 강한 건조 과정을 거친 쌀을 이용함으로써 열량절약의 효과를 기대할 수 있다.(열풍건조쌀)
실제로 건조과정에서의 비용차이가 적은 편이므로 10% 수분함량의 쌀을 사용함으로 인하여 비용절감의 효과를 기대할 수 있다. 따라서 질량 변화를 이용한 효율성 증대 설계는 쌀의 수분함량 변화를 구현할 수 있는 설계를 통하여 전체 수분의 질량을 줄이고, 이를 통하여 전체 열량공급의 감소를 기대할 수 있다.
⑴ 외부기압 P0의 변화를 통한 개선 설계
① 외부기압을 낮출 경우의 설계
W = m w
Q = u +m w
(m은 mass of water, w는 specific work)
우리가 고려하고 있는 뻥튀기의 제조과정에서의 수분의 초기 압력은 수분이 대기와 압력적으로 평형을 이루고 있으므로 대기압과 같은 값을 가지고 이는 약 100KPa= 0.1MPa 정도이다. 또한 과정 중에서 압력변화는 최종적으로 225 에서 부피와 압력이 등온상태로 감소하는 것만 고려한다면 압력변화의 양상은 쉽게 유추할 수있다. 이 때 초기 수분압력과 같은 크기의 압력인 대기압을 조금이라도 낮출 수 있다면 변화 과정 중에서의 압력변화는 일정하므로, 그래프에서 초기압력, 변화점에서의 압력 등이 모두 낮아지므로 전체적으로 P-v선도에서의 면적이 줄어들고, 그만큼 specific work이 줄어들고, 이로 인해, work 자체가 줄어들고, 전체열량이 절약될 것으로 기대할 수 있다.
그 결과를 그림으로 나타내면 다음과 같다.
위와 같이 변화의 양상이 붉은 선으로 된 양상에서 푸른 선으로 된 양상으로 변함에 따라 specific work의 양이 노란색으로 표시된 만큼 차이나게 되어 훨씬 큰 에너지 절약을 추구할 수 있다. (각 상태변화에 대한 설명은 앞에서 설명한 바와 같다. 푸른선의 증가나 감소에서의 기울기는 모두 붉은 선과 동일하고, 상변화 곡선과 만났을 때 양상이 변하는 것도 동일하다.)
또한 압력이 줄어들 수 있는 양이 정확하지 않으므로 그래프에서의 면적은 변할 수 있다. 압력을 얼마나 줄이느냐에 따라 그래프의 면적이 얼마나 넓어지는 지 결정되는 것이다.
따라서 외부 기압을 낮추는 설계를 할 수 있는 해발 고도가 높은 지역, 즉 산간지역이나 고평원이 있는 지역에서 뻥튀기 생산을 하여 적은 에너지로 많은 뻥튀기를 생산하는 효율성 증대설계를 노려 보는 것을 고려할 수 있다. 또한 효율성을 고려하여 유효하다면 대기의 영향을 받는 장소에서 뻥튀기를 생산하는 것이 아닌 특정한 외부기압을 유지할 수 있게 하는 특수한 장치 내에서의 생산을 고려해볼 수 있겠으나 이는 구성요소와 고려사항이 많고, 절약효과에 의한 비용보다 장치를 준비하는 비용이 더 커질 수도 있는 만큼 더 다양하고 정확한 조사가 필요할 것이다.
② 외부기압을 높일 경우의 설계
Q = u +m w
(m은 mass of water, w는 specific work)
외부기압을 높여 보는 설계를 생각해 보았을 때는 (1)과 같이 붉은 선으로 된 기존의 양상 위의 푸른 선의 양상을 살펴보게 되는 데, 최종적으로 225 에서 등온과정으로써 압력과 부피가 강하하는 것을 공통으로 하였을 때, 위 그래프와 같은 변화양상을 유추할 수 있다. 즉, 초기 변화부터 전체적으로 그래프 변화의 초기에서 약간 올라간 형태를 유추할 수 있다.(물론, 어느 정도가 올라가느냐는 (1)과 같이 외부기압이 얼마나 높으냐에 달려 있는 것으로써, 정해진 값이라고 할 수 없다.)
이 경우 specific work은 아래 그래프에서 표기된 정도의 차이를 보인다.
이 그래프에서 표기된 양상은 오히려 specific work이 증가하는 형태로 결국 (1)에서와 같은 유추과정으로 본다면 전체열량변화량이 더 크다고 할 수 있다.
결국 외부압력이 높아지면 높아질 수록 더욱 더 많은 열량을 요구하게 되어 뻥튀기 생산시 에너지를 더 많이 사용하게 되는 결과를 초래하게 된다. 그러므로 대기압이나 외부 압력이 높기 쉬운 지역이나 장소에서 뻥튀기를 만들시에는 더 많은 에너지가 필요하게 된다는 것을 생각할 수 있다. 따라서 외부 기압을 높이는 설계는 지양하고, (1)에서와 같이 외부기압을 낮출 수 있는 설계를 지향해야 한다.

키워드

열역학,   압력,   mpa,   기압,   열량