작동 유체

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유체 동력에서 작동 유체는 주로 힘, 운동 또는 기계적 에너지를 전달하는 기체 또는 액체입니다.유압학에서 물 또는 유압 오일은 유압 펌프, 유압 실린더 및 유압 모터와 같은 유압 구성 요소 간에 힘을 전달하며 유압 기계, 유압 구동 시스템 등에 조립됩니다.공압학에서 작동 유체는 압축기, 진공 펌프, 공압 실린더 및 공압 모터와 같은 공압 구성 요소 간에 힘을 전달하는 공기 또는 다른 가스입니다.공압 시스템에서 작동 중인 가스는 압축이 가능하기 때문에 에너지도 저장합니다(가스는 팽창하면서 가열되고 냉각됩니다. 이 부수적인 열 펌프는 거의 활용되지 않습니다). (가스가 압축되면 액체로 응축되고 압력이 감소하면 끓습니다.)

수동 열전달의 경우 작동 유체는 주로 관심 영역(펌프된 액체 냉각, 공기 냉각 등)으로 열을 전달하거나 관심 영역 밖으로 전달하는 기체 또는 액체입니다.

히트 엔진 또는 히트 펌프의 작동 유체는 일반적으로 냉매, 냉각수 또는 작동 기체로 불리는 가스 또는 액체이며, 상변화 및/또는 압축 및 팽창의 열에 의해 열 에너지(또는 그 반대)를 주로 기계적 에너지로 변환합니다.상변화를 사용하는 예로는 증기 엔진의 물↔수분, 대부분의 증기 압축 냉동 및 공기 조절 시스템의 클로로플루오로카본 등이 있습니다.상변화가 없는 예로는 스털링 엔진과 같은 온풍 엔진의 공기 또는 수소, 가스 사이클 히트 펌프의 공기 또는 가스 등이 있습니다(일부 열펌프 및 열엔진은 고무 밴드와 같은 "작업용 고체"를 사용하여 탄성 냉동 또는 열탄성 냉각을 수행하고 니켈 티타늄을 시제품 열엔진에 사용합니다).

공기 또는 물 이외의 작동 유체는 반드시 루프에서 재순환됩니다.일부 유압 및 패시브 열 전달 시스템은 급수 및/또는 대기에 개방되어 있으며, 때로는 브리더 필터를 통해서도 개방되어 있습니다.열 엔진, 열 펌프 및 휘발성 액체 또는 특수 가스를 사용하는 시스템은 일반적으로 방출 밸브 뒤에 밀봉됩니다.

속성 및 상태

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작동 유체의 특성은 열역학 시스템을 완전히 설명하는 데 필수적입니다.작동 유체는 정의할 수 있는 물리적 특성이 많지만 엔지니어링 설계 및 분석에 필요한 열역학적 특성은 거의 없습니다.압력, 온도, 엔탈피, 엔트로피, 특정 부피 및 내부 에너지가 가장 일반적입니다.

적어도 2개의 열역학적 특성이 알려진 경우 작동유체의 상태를 정의할 수 있다.이것은 보통 하나의 속성과 다른 속성의 플롯에 불과한 특성 다이어그램에서 수행됩니다.

작동 유체가 터빈 및 압축기와 같은 엔지니어링 구성 요소를 통과할 때 특성 다이어그램의 점이 특정 특성 변경 가능성으로 인해 이동합니다.따라서 이론적으로는 유체의 열역학적 특성을 완전히 설명하는 선/곡선을 그릴 수 있습니다.그러나 실제로는 프로세스가 되돌릴 수 있는 경우에만 가능합니다.그렇지 않으면 속성 다이어그램에서 변경 내용이 점선으로 표시됩니다.대부분의 경우 열역학적 분석에 필요한 공정의 최종 상태이기 때문에 이 문제는 실제로 열역학 분석에 영향을 미치지 않습니다.

일하다.

작동 유체는 터빈에서 사용될 경우 유용한 작업을 출력하는 데 사용될 수 있습니다.또, 열역학적 사이클에서는, 컴프레서를 사용해 작동 유체에 에너지가 입력되어도 좋다.작동 유체가 존재하는 실린더를 고려한다면 이에 대한 수학적 공식은 매우 간단할 수 있습니다.피스톤은 유용한 작업을 유체에 입력하는 데 사용됩니다.역학에서 프로세스의 상태 1에서 상태 2까지 수행된 작업은 다음과 같이 제공됩니다.

$\displaystyle W=-\int _{1}^2}\mathbf {F}\cdot \mathrm {d}\mathbf {s}$

여기서 ds는 어떤 상태에서 다음 상태까지의 증분 거리, F는 가해지는 힘입니다.음의 부호는 이 경우 볼륨 감소를 고려하기 때문에 도입됩니다.이 상황은 다음 그림에 나타나 있습니다.

힘은 다음과 같이 실린더 내 압력과 그 단면적의 곱에 의해 주어진다.

$디스플레이 스타일W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \&=-\int _{1}^2}P\cdot \mathrm {d}V\end{aligned}}$

여기서 Aµds = dV는 실린더 부피의 원소 변화입니다.상태 1에서 2로 부피가 증가하면 작동 유체가 실제로 주변 환경에서 작동하며, 이는 일반적으로 부정적인 작업으로 나타납니다.볼륨이 감소하면 작업이 긍정적입니다.위의 적분된 정의에 따라 수행된 작업은 압력-부피 다이어그램 아래의 영역으로 표현된다.우리가 일정한 압력 과정을 가진 경우를 고려한다면, 작업은 간단히 다음과 같이 주어집니다.

$디스플레이 스타일W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}$

선택.

용도에 따라 다양한 유형의 작동액이 사용됩니다.열역학적 사이클에서는 작동 유체가 기체에서 액체로 또는 그 반대로 변하는 경우가 있습니다.헬륨과 같은 특정 기체는 이상적인 기체로 취급될 수 있다.이것은 일반적으로 과열 증기의 경우에는 해당되지 않으며 이상적인 가스 방정식은 실제로 유지되지 않습니다.그러나 훨씬 높은 온도에서도 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.작동 유체의 물리적 및 화학적 특성은 열역학 시스템을 설계할 때 매우 중요합니다.예를 들어, 냉동 장치에서는 작동 유체를 냉매라고 부릅니다.암모니아는 전형적인 냉매이며 1차 작동액으로 사용될 수 있습니다.물(냉매로도 사용할 수 있음)에 비해 암모니아는 보다 견고하고 값비싼 장비를 필요로 하는 상대적으로 높은 압력을 사용합니다.

가스터빈 사이클과 같이 공기 표준 사이클에서 작동 유체는 공기입니다.개방 사이클 가스 터빈에서 공기는 압축기로 들어가 압력이 증가합니다.따라서 컴프레서의 입력은 작동 유체에 작용합니다(양극 작업).그런 다음 오일은 연소실로 전달되고, 여기서 연료 연소를 통해 이 시간 열 에너지가 입력됩니다.그러면 공기는 터빈 안에서 팽창하여 주변 환경에 역행한다(부정적 작업).

작동 유체마다 특성이 다르며, 특히 하나를 선택할 때 설계자는 주요 요구사항을 식별해야 합니다.냉동 장치에서는 큰 냉동 용량을 제공하기 위해 높은 잠열이 필요합니다.

응용 프로그램 및 예시

다음 표는 작동 유체의 일반적인 용도와 각각의 예를 보여줍니다.

어플	일반적인 작동 유체	구체적인 예
가스터빈 사이클	항공사
랭킨 사이클	물↔산염, 펜탄, 톨루엔
증기 압축 냉동, 히트 펌프	클로로플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로카본, 프로판, 부탄, 이소부탄, 암모니아, 이산화황	상업용 냉장고, 에어컨
재사용 가능한 발사체 확장형 수직 착륙 다리	헬륨[1]	SpaceX 재사용 가능 발사 시스템 개발 프로그램

「 」를 참조해 주세요.

• 가스 목록
• 수력 엔진

레퍼런스

• Eastop & McConkey (1993). Applied Thermodynamics for Engineering Technologists (5th ed.). Singapore: Prentice Hall. pp. 9–12. ISBN 0-582-09193-4.