에너지변환시스템연구실(ECOS)Energy Conversion System Lab. Chung H. Jeon

Fundamentals of THERMODYNAMICS

8th Edition, Richard Sonntag

CHAPTER 1Prof. Chung-Hwan Jeon

Office : 기전관 2층 2015호E-mail :chjeon@pusan.ac.kr

Tel : 510-3051, 010-9241-5909

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• Introduction to Thermodynamics• Thermodynamic System and Control Volume• Properties, Processes and Cycles• Units• Specific Volume and Density• Pressure• Energy and Temperature

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Chapter 1

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Introduction to Thermodynamics

Theory about science of energy, its conversion processes and its effect on substances and devices.

Subjects: Thermal systems, devices, componentsExamples: Steam Power Plant, Air conditioner (A/C) unit, Heater, Boiler,

Steam generator, Refrigerator, Engine, Pump, Nozzle, …

Subjects: Behavior and Properties of pure substancesExamples: When is water (H2O) a solid (ice), liquid or vapor (gas)

When air is compressed how much smaller does it become?How much energy is needed to bring cold water to a boil?At what pressure will R-410A (a refrigerant) boil at 35 C (95 F)

Subjects: Behavior or characteristics of devices or systemsExamples: How big a pump do I need to empty a swimming pool in 1 hour?

How much air must I blow into a balloon for a given size?How much work is involved to inflate a flat tire or balloon?

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Thermodynamic System and Control Volume

Control Volumes(mass)

Closed control volume: Open control volume:Encloses a fixed amount of mass Mass can enter or leaveAlso called control mass

Notice volume may change (A+B)

Control surface

Control surface

Piston-cylinder system

A

B

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Thermodynamic System and Control Volume

Closed control volume: Open control volume:Encloses a fixed amount of mass Mass can enter or leave

CV: argon, volume can go up

Heating at constant volume

Hot air balloon being inflated

Filling of a tank

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Complete system: Power Plant

WaterLoop

HeatLoop

(Condenser)

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Conversion of fuel energy into electricity and heat Main Devices : B(Boiler), T(Turbines), G(Generator)

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핵심 개발기술

500MW Boiler Retrofit 주요 기술개발 내용

1. 시스템통합 및 최적화 분야○ 출력증강의 Plant Cycle 최적화 및 타당성 평가○ Plant Cycle 개념설계 및 설계기준서, ITB 작성○ Retrofit 플랜트의 연계설비간 동특성 해석 기술○ 출력증강 모듈 구축 및 프로세스 정립

2. 보일러 열용량 증대 분야○ 보일러 열용량, 성능향상 모듈 구축 및 개념설계○ 전열면 배치 최적화 기술 개발

○ 유동 및 화로해석, 전열부 유량불균형 예측기술○ 저급탄 연소용 Adv. Burner System 개발

3. 증기터빈 출력증강 및 효율향상 분야

○ T/G 출력증강 및 효율향상 모듈 구축 및 개념설계○ 중압 최종단의 장익(Long Bucket) 설계 기술개발○ 증기조건 변화에 따른 고압(HP) 1단(Control

Stage) 설계 기술개발○ 고효율 저진동 밸브 구동시스템 기술개발

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주요 개발내용 – 시스템통합 및 최적화

출력증대를 위한최적화 Case Study

설비별 고장확률 예측최적 온도/압력 조건 선정최적유량 결정

최적 Cycle Layout 구성

성능개선Plant 모듈구축 및

실증계획수립

출력증강 Target 달성을 위한 Plant Cycle 최적화

Plant 최적 Cycle 구성 및 설계 검토

설비 용량 검토

(주기기 및 보조기기)출력증대 경제성 평가

Plant Cycle Layout 검토기기 Interface 검토

General Arrangement 작성설계 계산 및 기준서 작성

(주기기 및 BOP 설비)설계 도면 작성

출령증대 Plant 개념설계

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(a) 화로모델링 (b) 각 버너단별 온도분포

연소해석 사례

버너 개략도

사용 예정 저급탄 후보 선정 및 각 연소특성 조사

버너 각 분사구 투입 연료량 및 유량 계산

버너 각 분사구 배치 기준 및 Size 선정 기준 도출탄종별 버너 존 슬래깅 생성 거동 차이 조사

화로내 연료 및 공기 분사각(Yaw Angle) 기준 도출

1. 저급탄의 안정적 연소, 버너존에서의 슬래깅 발생 최소화를 위한 버너 개념설계2. 버너 공기 및 미분탄 분사구의 유로면적 재설계, 화염 점화 거동 및 초기 연소 영역

변화를 고려한 연소시험/해석 Burner Basic Design

버너 개략도

Advanced Burner 개발

주요 개발내용

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1000MW USC 기술 – 보일러 핵심 설계

보일러화로설계기술

보일러저NOx연소시스템

보일러구조설계기술

보일러소음/진동해석기술

보일러기본설계시스템구축

-10 10 30 50 70 90 110 0

100

200

300

400

500

A

A

A

A

A

B

B

B

BB

C

C

CC C

D

D

D

D D

E EE

E

E

F F F F F

GG

G

G

G

0

100

200

300

400

500

600

0

10

20

30

40

50

0

20

40

60

80

100

0 1

Time(min)A: Inlet Steam Temperature B: O C: Inlet Fluegas Temperature D: O E: Steam Flow F: F G: Pressure at the outlet of HP part

Cold Startup : Final SupTraning(Poryong 3&

C

AB

C

CD

%

EF

ata

G

보일러동특성해석기술

50 100 150 2000

250

500

10090

8070

6050

4540

3530

2010

0

Pa

Hz

vaneopening(%)

차세대 모델 개념/기본설계

Unstable 영역

Unstable 영역

Stable 영역

Stable 영역

시스템통합 및 최적화

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Flow and Heat Transfer Inside a Tube

Fig. 4.9 Schematic diagram of the evaporation processes in a vertical tube (Adrian et al. 1986)

The location of the boiling crisis and the level the wall temperature rises to depend on numerous factors, such as the heat flux density, the mass flow density, the tube design and the steam quality.

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Natural Circulation

Schematic diagram of a natural-circulation steam generator .(Stultz and Kitto 1992)

Natural-circulation steam generators typically consist of economisers and an evaporatorwith risers that form the heated furnace wall, a drum for the separation of water from steam and unheated down pipes and superheaters.

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3D Geometry & Meshing (1,500,000 cell)[1] Hanger super-heater

580.78 m2

[2] Platen super-heater

1556.53 m2

[3] Final re-heater

1093.48 m2

[1]

[2]

[3]

[4]

[5][6]

Inlet T(K) 1375

Outlet T(K) 1461

Absorption(KJ/m^2-s)

65.24

Inlet T(K) 1198

Outlet T(K) 1375

Absorption(KJ/m^2-s)

41.00

Inlet T(K) 1073

Outlet T(K) 1198

Absorption(KJ/m^2-s)

87.93

Inlet T(K) 622

Outlet T(K) 716

Absorption(KJ/m^2-s)

9.161

Inlet T(K) 716

Outlet T(K) 944

Absorption(KJ/m^2-s)

66.55

Inlet T(K) 944

Outlet T(K) 1073

Absorption(KJ/m^2-s)

30.67

[4] Final super-heater[6] Economizer [5] Primary re-heater

2296.92 m21603.04 m2

2663.04m2

Boiler CFD 개발 내용_ 화로 수열부 모델링 완성

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500MW T-Firing boiler

Aux air

Aux air

Weak coal(B, D, F burner)

Conc.coal(B, D, F burner)

Aux air

Oil

Aux air

Conc. Coal(A, C, E burner)

Weak coal (A, C, E burner)

Bottom airBu

rner

zone

Uni

t bur

ner

Build up

Primary Air

Secondary Air

CASE 500MWDesign550MWDesign

550MWSUEK

550MWMix

550MWLoa

H.V(kcal/kg) 6080 6080 5954 5300 5090

Coal(Ton/h) 193 208 212.4 238.61 248.46

Air flow(Nm^3/s) 375.6 404.8 403.7 453.3 472

Con : Weak = 7:3

Boiler CFD 개발 내용_ 입력조건들

Aux air

Aux air

D Weak coal

D Conc.coal

Aux air

Oil

Aux air

C Conc. Coal

C Weak coal

Bottom air

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Validation as design coal

Iteration process Final results

Temperature O2 fraction Particle trajectory

0.22%

UnburnedCarbon

Exit O2

2%

Boiler CFD 개발 내용_ 모델 검증

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Complete system: Refrigerator

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Refrigerator pushes energy out of a cold space into a warmer space (room)

Refrigerant flows in a loop through 4 devices

Fundamentals of THERMODYNAMICS �8th Edition, Richard Sonntag��CHAPTER 1Chapter 1Introduction to ThermodynamicsThermodynamic System and Control VolumeThermodynamic System and Control VolumeComplete system: Power Plant슬라이드 번호 7슬라이드 번호 8슬라이드 번호 9슬라이드 번호 10슬라이드 번호 11슬라이드 번호 12슬라이드 번호 13슬라이드 번호 14슬라이드 번호 15Complete system: RefrigeratorProperties, Processes and CyclesProperties, Processes and Cycles, ContinuedProperties, Processes and Cycles, ContinuedUNITSUNITSUNITSSpecific Volume and DensitySpecific Volume and Density, English UnitsConcept QuestionsPressurePressurePressureManometer/BarometerManometerManometerManometer/BarometerStatic/dynamic pressurePressurePressurePressurePressureManometer/BarometerPressure and Manometer Concept QuestionsEnergy and TemperatureTemperatureThermocouples, thermistors