2022년 5급 공채 기술 2차 열역학
문제 4개 · 50점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (15점)
50%의 과잉공기를 이용하여 0.05kg/min 유량의 연료(C3H8)를 연소시키고자 한다. 연소가스를 분석한 결과, 연료의 모든 수소는 H2O로 전환되며 탄소의 95%는 CO2로 나머지 5%는 CO로 전환되었을 때 다음 물음에 답하시오. (단, 유입되는 연료와 공기는 모두 25°C이며, N2:O2＝79:21의 몰(mol)비로 구성된 공기의 분자량은 29kg/kmol이다) (총 15점)
- (1) 연소 반응에서의 연소반응식을 쓰시오. (3점)
- (2) 공기의 질량유량[kg/min] 및 1시간 연소 시 배출되는 CO2의 질량을 각각 구하시오. (6점)
- (3) 연료의 탄소가 100% CO2로 전환된다면 1)에서 세운 연소반응식과 다른 연소반응식이 세워진다. 1)과 3)에서 세운 두 연소반응의 표준반응열 차이(DELTAH^{{o}}＝DELTAH_{{100 \%}}^{{\, o}}－DELTAH_{{95 \%}}^{{\, o}})를 구하고, DELTAG^{{o}}＝DELTAH^{{o}}－TDELTAS^{{o}}의 관계를 이용하여 두 연소반응의 엔트로피 차이(DELTAS^{o})를 구하시오. (단, CO2, CO의 표준생성엔탈피는 각각 －393.5kJ/mol, －110.5kJ/mol이고, 표준생성깁스에너지는 각각 －394.4kJ/mol, －137.2kJ/mol이다) (6점)
제2문 (7점)
비열이 C \,로 동일한 고체 a, b의 질량 및 온도가 각각 m , \, T_{{a}} 및 2 m , \, T_{{b}}이다. 두 고체를 서로 접촉시키고 충분한 시간이 흘렀을 때 두 고체를 합한 것을 시스템으로 하여 해당 시스템의 총 엔트로피 변화(S_{f}－S_{i})를 식으로 표현하시오. (단, 두 고체 간의 열전달을 제외한 다른 열손실은 없다고 가정한다) (7점)
제3문 (10점)
담수화 장치를 통해 질량기준 염도 5.00%, 15°C 바닷물로부터 담수를 얻으려고 한다. 다음 물음에 답하시오. (단, 바닷물은 이상 용액으로 물과 소금의 혼합물이며 물과 소금의 몰질량은 각각 18.01kg/kmol과 58.44kg/kmol이며 기체상수 R＝8.314kJ/kmol․K이라고 가정한다) (총 10점)
[그림]
[그림]
- (1) 바닷물 1kg에 들어 있는 물의 몰수 n_{w}와 소금의 몰수 n_{s}를 구하고, 소금의 몰분율 y_{s}를 구하시오. (5점)
- (2) 담수화 장치를 이용하여 15°C, 1kg의 바닷물을 담수와 소금으로 분리하는 데 소요되는 최소한의 일 W_{\min}을 구하시오. (단, DELTAS＝- R {\sum_{{i}}^{{n}} n_{{i}} lny_{i}}이다) (5점)
제4문 (18점)
0.14～0.8MPa의 압력 범위 사이에서 작동하는 2단 캐스케이드 냉동 시스템이 있다. 이 시스템은 R-134a 냉매를 사용하는 이상적인 증기 압축 냉동 사이클로 작동하며 하부 사이클과 상부 사이클 사이의 열전달은 0.5MPa의 정압 상태에서 열교환기를 통해 이루어진다. 상부 사이클에서 냉매의 질량유량 {\dot{{m}}}_{{up}}은 0.24kg/s일 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 배관 손실은 무시하며 압축기와 팽창밸브의 효율은 100%로 가정한다) (총 18점)
[그림]
[그림]
| 포화상태 | ||||
| 압력(MPa) | 엔탈피(kJ/kg) | 엔트로피(kJ/kgㆍK) | ||
| 포화액체 | 포화수증기 | 포화액체 | 포화수증기 | |
| 0.14 | 27.06 | 239.19 | 0.11080 | 0.94467 |
| 0.5 | 73.32 | 259.36 | 0.28021 | 0.92420 |
| 0.8 | 95.48 | 267.34 | 0.35408 | 0.91853 |
| 과열상태(압력＝0.5MPa) | ||
| 온도(°C) | 엔탈피(kJ/kg) | 엔트로피(kJ/kgㆍK) |
| 15.71 | 259.36 | 0.9242 |
| 20 | 263.48 | 0.9384 |
| 30 | 273.03 | 0.9704 |
| 과열상태(압력＝0.8MPa) | ||
| 온도(°C) | 엔탈피(kJ/kg) | 엔트로피(kJ/kgㆍK) |
| 31.31 | 267.34 | 0.9185 |
| 40 | 276.46 | 0.9481 |
| 50 | 286.71 | 0.9803 |
- (1) 상․하부 사이클의 개략도를 T－s 선도로 표시하고 각 상태점(1～8)을 선도 상에 도시하시오. (6점)
- (2) 하부 사이클에서의 냉매의 질량유량[kg/s]을 구하시오. (6점)
- (3) 냉장 공간으로부터의 열제거율 {\dot{{Q}}}_{{L}}[kW] 및 전체 압축기 동력[kW]을 구하시오. (4점)
- (4) 전체 캐스케이드 냉동 사이클의 성능 계수(COP)를 구하시오. (2점)