게시판 > 질답게시판 > 압력 손실과 에너지에 대해 질문이 있습니다.

스테파노 Stefano

22-08-13 23:47

A1) 감압밸브를 거치현서 낮아지는 압력은 밸브들을 통과하면서 일어나는 마찰에너지손실과 단열팽창에 의한 열역학적 온도감소의 효과가 복합적으로 나타나타난 효과입니다. 맨 마지막 후단 압력은 그압력에 맞추도록 설정해 두었기 때문에 자동적으로 조절된 압력이 됩니다. (감압밸브는 밸브후단의 압력에 맞추어 밸브의 열림 정도가 정해지는 자동밸브입니다.)

A2) 감압과정의 압력은 회수되지 않습니다. 감압과정에서 가스터빈을 돌림으로써 동력으로 회수하는 장치가 있는데 이를 팽창터빈이라고 합니다. 팽창과정에서 에너지를 흡수하게 되면 온도는 더 내려가게됩니다. 이 원리를 이용하여 초저온 온도를 만들어 냅니다.

A3) 마찰 손실이 없는 경우라면 감압과정에서도 엔탈피 밸런스가 유지되지만 마찰손실이 일어나면서 엔탈피 손실이 일어나게 되는데 마찰(에너지) 손실이 없이 가역과정으로 일어나면 엔탈피 밸런스가 유지되나 동력이나 마찰로 열이 빼앗기면 내부에너지가 줄어들면서 온도가 내려가고 그에 따라 P*V (=n RT)값도 함께 내려가게 됩니다.

Δh = ΔE + Δ(P*V) ; E의 절대값과 P*V의 절대값은 T의 함수 마찰에너지 손실이 일어나면 우변에서 Energy Loss 값이 더해지고 h2값이 가역반응의 값보다 줄어들게됩니다. 이상기체 방정식에서 P*V = n *R*T 의 수식을 만족하는데 실제가스에서
마찰손실이 일어나면 우변 T값이 T'로 줄어들게 되고 그에 따라 P*V 값이 작아진 상태에서 P*V=nRT'의 관계식이 됩니다.

A4) <PCV 전단 배관은 18인치고 후단 배관은 14인치..> 이는 전형적인 배관설계 기준에 따르지 않은 배관크기로 보입니다. 일반적으로 감압변 전후단 배관의 크기는 고압측이 작고 저압측이 큽니다. 어느 경우에나 관 내에서 음속을 초과하지는 못합니다. 후단의 Header가 길어졌고 다른 연결배관은 추후 증설시 연결하려고 계획된 배관같아 보입니다.

혹시 설치 당시 설계기준에 관하여 알고 계신 선배님이 계시다면 그로부터 설계및 시공 기준과 관련된 사정을 알아보도록 하세요.

A2) 감압과정의 압력은 회수되지 않습니다.    감압과정에서 가스터빈을 돌림으로써 동력으로 회수하는 장치가 있는데  이를 팽창터빈이라고 합니다.    팽창과정에서 에너지를 흡수하게 되면 온도는 더 내려가게됩니다.  이 원리를 이용하여  초저온 온도를 만들어 냅니다.

A3) 마찰 손실이 없는 경우라면 감압과정에서도 엔탈피 밸런스가 유지되지만 마찰손실이 일어나면서 엔탈피 손실이 일어나게 되는데   마찰(에너지) 손실이 없이 가역과정으로 일어나면 엔탈피 밸런스가 유지되나  동력이나 마찰로 열이 빼앗기면 내부에너지가 줄어들면서 온도가 내려가고 그에 따라   P*V (=n RT)값도  함께 내려가게 됩니다.

Δh =  ΔE + Δ(P*V) ;  E의 절대값과 P*V의 절대값은 T의 함수 마찰에너지 손실이 일어나면 우변에서 Energy Loss 값이 더해지고 h2값이 가역반응의 값보다 줄어들게됩니다.   이상기체 방정식에서    P*V = n *R*T 의 수식을 만족하는데  실제가스에서 
마찰손실이 일어나면 우변 T값이 T'로 줄어들게 되고 그에 따라    P*V 값이 작아진 상태에서  P*V=nRT'의 관계식이 됩니다.

A4) <PCV 전단 배관은 18인치고 후단 배관은 14인치..>  이는 전형적인 배관설계 기준에 따르지 않은 배관크기로 보입니다.  일반적으로  감압변 전후단 배관의 크기는 고압측이 작고 저압측이 큽니다.   어느 경우에나 관 내에서 음속을 초과하지는 못합니다.   후단의 Header가 길어졌고 다른 연결배관은 추후 증설시 연결하려고 계획된 배관같아 보입니다.

혹시 설치 당시 설계기준에 관하여 알고 계신 선배님이 계시다면 그로부터  설계및 시공 기준과 관련된 사정을 알아보도록 하세요.

전기공학도 wodud6026

22-08-14 13:38

3번 답변에 질문이 있습니다.
마찰손실로 인해 T 값이 T’ 으로 줄어들 때 T’ 값은 마찰손실로 인한 온도감소와 더불어 joule thomson 팽창에 의한 온도감소도 고려해줘야 하는 거 아닌가요?
PCV 전 후단 압력의 차이로 인해 온도 감소가 일어나는데, 줄어든 T’ 값은 마찰손실 + 차압에 의한 joule thomson 팽창에 의한 온도감소인지 궁금합니다.

Stefano

22-08-14 15:40

(1) 그 물질(System)이 외계(Surrounding)와 접촉함으로서 생기는 마찰열이나 물질분자의 상호마찰에 의해 생성된 열에너지는 자체온도 상승으로 나타나고 이로인해 내부 열에너지의 상승으로 나타나는데 상승된 온도에 의해 외부로 열이 발산되고 나면 분자운동에너지가 줄어들게 되고 이로인해 외계에 나타내는 압력도 낮아집니다. 압축했다가 팽창할 때 나타나는 Joule-Thomson(J-T)효과도 분자간 간격이 좁았을 때 나타내는 에너지가 압력이 떨어지면서 분자간 거리가 늘어나면서 손실되는 분자운동에너지로 볼 수 있으며 이들 효과 모두가 종합적으로 엔탈피값 감소로 나타납니다.

분자가 가진 에너지는 분자의 운동에너지, 분자내 결합의 회전에너지, 원자간 결합의 진동 등으로 분산되어 저장되는데 이에너지의 절대값은 측정하기 어렵고 분자 내부에 포함된 에너지로 열역학적 용어로는 "내부에너지"라고 부릅니다. 이에반해 Surrounding과 접하고 있는 면적과 평형을 이루고 있는 압력을 곱한 에너지는 "외부에너지"에 해당합니다.

System이 에너지를 잃으면 온도가 내려가고 내려간 온도에서 외계와 접하여 나타내는 압력을 곱한 P*V값과 내부에너지를 값을 더한 것이 Enthalpy인데 외부에너지는 측정가능하나 내부에너지는 측정할 수 없어서 Enthalpy 절대값은 알 수 없습니다.

(2) PCV 밸브 전후 압력차이에 의해 나타나는 온도강하는 주로 열출입이 없는 상태에서 외부에너지감소와 외부에너지증가에 기인하는 "가역 단열과정" 에서 일어나는 온도변화, 즉 T2/T1 = (P2/P1)^(1-1/γ)로 계산되는 값에 기인하고 여기에다 J-T 효과 및 (마찰 손실이 있는)비가역적과정에 의한 효과가 포함된 복합적 효과로 나타난 결과입니다.

여기서 위에서 설명한 마지막 두가지 효과의 절대값을 이론적으로 알 수가 없어서 T2/T1 = (P2/P1)^(1-1/n) 과 같이 Isentropic Exponent(γ)을 사용한 온도계산이 직접계산으로 되지 않아서 실제상황값을 사용한 Polytropic Exponent (n)과 같은 매개변수를 사용하여 온도를 추정합니다.

분자가 가진 에너지는 분자의 운동에너지, 분자내 결합의 회전에너지, 원자간 결합의 진동 등으로 분산되어 저장되는데  이에너지의 절대값은 측정하기 어렵고 분자 내부에 포함된 에너지로 열역학적 용어로는 "내부에너지"라고 부릅니다.  이에반해 Surrounding과 접하고 있는 면적과  평형을 이루고 있는 압력을 곱한 에너지는 "외부에너지"에 해당합니다.

System이 에너지를 잃으면 온도가 내려가고 내려간 온도에서 외계와 접하여 나타내는 압력을 곱한 P*V값과 내부에너지를 값을 더한 것이 Enthalpy인데  외부에너지는 측정가능하나 내부에너지는 측정할 수 없어서 Enthalpy 절대값은 알 수 없습니다.

(2) PCV 밸브 전후 압력차이에 의해 나타나는 온도강하는 주로 열출입이 없는 상태에서 외부에너지감소와 외부에너지증가에 기인하는 "가역 단열과정" 에서 일어나는 온도변화, 즉   T2/T1 = (P2/P1)^(1-1/γ)로 계산되는 값에 기인하고 여기에다 J-T 효과 및 (마찰 손실이 있는)비가역적과정에 의한 효과가 포함된 복합적 효과로 나타난 결과입니다.

여기서 위에서 설명한 마지막 두가지 효과의 절대값을 이론적으로 알 수가 없어서  T2/T1 = (P2/P1)^(1-1/n) 과 같이 Isentropic Exponent(γ)을 사용한 온도계산이 직접계산으로 되지 않아서 실제상황값을 사용한  Polytropic Exponent (n)과 같은 매개변수를 사용하여 온도를 추정합니다.

김앙꼬 kimangkko

24-08-01 20:46

압축성 기체에 대한 계산은 첫 시작인 물성치 계산에서부터 상용툴을 사용하지 않고서는 수계산으로 계산하기가 쉽지 않아, 인터넷에 (해외커뮤니티 포함) 검색을 해 봐도 적절한 대답을 얻기가 쉽지 않습니다.

실제로 여러 컴포넌트로 구성된 시스템 (inlet배관 >> control valve >> outlet배관)에서의 압력감소는 사실 iteration을 거쳐야 하기에 (compressible fluid라 압력에 따라 density가 달라짐) 간단히 결과가 얻기가 쉽지 않습니다.

질문에서 또한 필요한 유량과 boundary condition에 대한 정보를 얻을 수 없어 몇몇 가정을 기준으로 말씀하신 조건을 계산해 보면 아래와 같으니 질문하신 사항에 맞게 조건을 바꾸시면 조금 더 원하시는 결과를 얻는데 도움이 되지 않을까 합니다.

"https://1drv.ms/x/s!AouJAbmmOIDFmSt5lg8wPhUlFn1w?e=KErb8o"