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  줄톰슨효과에 대한 질문
  글쓴이 : 파르데스   고유ID : dynast     날짜 : 20-12-05 22:08     조회 : 131    
안녕하세요.
줄톰슨 효과에 대해 궁금한 것이 있어 질문드립니다.
입을 오므려 바람을 불 때, 실제 기체인 공기에서는 분자간 위치에너지의 변화에 따라(증가하여) 온도가 감소하는 것으로 알고 있습니다. 이는 등엔탈피 과정이구요.
Q1. 그럼 이 과정에서 압력이 감압될 때는 일의 양이 완전히 0인가요? 즉 온도가 떨어지는 과정이 오로지 줄톰슨 계수에 의한 효과인지 외부에 일을 하면서 온도가 떨어지는 효과도 발생하는지가 궁금합니다.
입을 통과하며 밖으로 나올 때 완전히 닫힌 계가 아니어서 부피의 증가가 있고 그럼 입에서 나간 순간 외부에 일을 할 수 있다고 볼 수 있는 것 아닌지 헷갈립니다. 그리고 단열이라고 볼 수 있는지도요.
Q2. 감압밸브에 의해 포화스팀이 감압될 때, 등엔탈피 과정으로 해석하여 압력/온도가 떨어지는 것은 모두 마찰에 의한 Loss에 의해서인가요? 감압밸브 후단 배관이 팽창하여 Volume이 증대될 때, 외부에 일을 하는 건 전혀 없나요?
Q3. 스팀터빈의 경우 Stator(노즐)를 지날땐 등엔트로피 과정으로 이 때는 외부에 일을 하진 않고 스팀의 속도만 증가하고(온도와 압력은 감소) Blade를 지날때만 일을 해주는 것이 맞나요? 아니면 노즐을 지나면서 팽창하고, 외부로 일을 하는 건가요?
Q4. 만약 Q3의 Stator(노즐)에서 외부로 일을 하지 않는다면 온도와 압력이 감소하면서 과열스팀이 되는지 궁금합니다.
Q5. 줄톰슨효과는 Q3의 경우와 Q4의 경우에 모두 적용되는 것인지 궁금합니다.

Stefano    20-12-08 01:26
(0) Joule-Thomson(J-T) 효과는 기체를 고압에서 저압으로 단열팽창 시 팽창시 온도의 변화를 나타내는 것으로 당연히 <등엔탈피 과정>에서 온도변화를 타나내며  J-T 계수도  (∂T/∂P)H로 나타냅니다.

(A1) 단순히 Nozzle을 통과할 경우에는 (마찰손실은 있지만) 외부로 Work를 생산해 내지 않기 때문에  H=U+PV에서 P*V라는 외부에너지가 늘어나면 H가 상수일 경우라면 U가 줄어야 하고 그리되려면 내부에너지가 들기 위해 T가 낮아져야 합니다.  열출입이 없고  마찰이 없고 이상기체인 경우라면 J-T 계수는 0이 되어야 하나 실제기체는 그렇지 않습니다. 

J-T효과를 크게하려면 팽창발브 대신 Expansion Turbine과 같은 동력기기를 달아두면  P*V값으로 계산되는 Work가 방출되기 때문에 U의 감소가 두드러 집니다.  가스냉각장치에서 냉각매체로 냉각할 수 없는 영역에서는 이 방법을 사용하여 가스를 냉각, 냉동하여 액화장치에 사용하는 기술입니다.

(A2) Nozzle을 통해서 팽창할 경우 마찰손실과 함께 분자간의 거리가 멀어지면서 운동에너지 손실이 발생하고 이로 인하여 온도가 떨어지는데  오히려 특정가스의 경우 특정 압력 영역에서 온도가 상승하는 경우도 있습니다.  이를 음의 J-T계수를  갖는다고 하지요  단순히 배관을 따라 압력이 달라지면서 나타내는 Work는 이용할 수 없는 에너지이고 배관을 따라 흘러가면서 나타는 압력손실도 (Diff. Head*Volume Flow)단위이기 때문에 바로 <에너지손실>에 해당합니다.  즉 온도를 떨어뜨리는 현상을 낳습니다.  늘어나는 부피를 수용하여 외부로 동력을 발산할 수 있지 않으면 Work는 동반되지 않습니다.

(A3) Turbine에 연결된 Nozzle을 통하여 흘러나가면서 ΔP*Volume Flow에 해당하는 동력(에너지/시간)은 Turbine 날개를 밀어내면서 Shaft Torque 동력(힘*거리/시간, 즉 동력)으로 방출합니다.  Turbine 날개를 치고 나오는 스팀(추출스팀)은 유량은 동일하나 압력은 낮아져 있게 됩니다.  외부로 에너지를 방출했기 때문이지요.  Nozzle을 통과할 때의 약간의 에너지 손실은 있지만 나머지는 기계적 에너지 출력 혹은 기계적 마찰에너지 손실에 기인합니다    Turbin에서 얻어지는 동력을 사용하지 않으면 기계적 마찰손실만 나타나지만,  얻어지는 동력을 발전기를 돌리거나 펌프, 압축기를 돌리는 경우라면 외부로 일을 하는 것이 됩니다.   

(A4) 포화스팀을 단순히 팽창해도 과열스팀이 되지만 Turbine의 경우 포화 스팀이 통과해도 과열스팀이 배출되도록 설계삽니다.  더구나 동력측에 연결되는 터빈축에 부하가 걸리지 않으면 추출스팀의 압력은 공급스팀의 압력과 별로 차이나지 않는 과열 스팀이 배출될 것입니다. 

만일 Turbine 내부에서 포화온도이하로 온도가 떨어지면 응축이 일어나 Turbine 날개에 충격을 주게되고 진동일 일으키면서 날개가 파손될 수 있습니다.  따라서 고압의 Steam도 과열스팀을 공급하고 추출하는 Steam도 과열스팀으로 배출되도록 합니다.   

(A5) J-T 효과는 스팀터빈, 가스터빈 등에 적용하는 효과가 아니고 (A-1)에 설명한 것처럼 공기분리, 천연가스 액화, 등 심냉공정에 Expansion Turbine과 함께 사용됩니다.
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