Transcript 기계공학개론 제3장
기계공학개론 Introduction to Mechanical Engineering 3장 대표적인 기계부품 및 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 3장 대표적인 기계부품 및 시스템 Representative Mechanical Components and Systems 3.1 서론 3.2 기계부품 - 에너지 저장, 에너지 발산 및 에너지 변환 기계부품 3.3 기계 시스템 - 수송기계 시스템, 산업기계 시스템, 공기조화 및 냉동 시스템, 발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 3.1 서론 대표적인 기계부품 및 시스템 기계부품의 종류 (에너지 형태에 따른 분류) – 에너지 저장 : 스프링 (위치에너지), 플라이휠 (운동에너지) – 에너지 발산 : 댐퍼 – 에너지 변환 • 지렛대, 기어, 랙-피니언, 슬라이더-크랭크 (병진 또는 회전 → 병진 또는 회전) • 펌프 (기계에너지 → 유체에너지), 터빈 (유체에너지 → 기계에너지) • 제동장치 (기계에너지 → 열에너지), 내연기관 (열에너지 → 기계에너지) • 보일러 (화석에너지 → 열에너지), 원자로 (원자핵에너지 → 열에너지) • 전기모터 (전기에너지 → 기계에너지), 발전기 (기계에너지 → 전기에너지) 기계 시스템의 종류 – 수송기계 시스템 : 자전거, 자동차, 철도차량, 선박, 항공기, 우주선 – 산업기계 시스템 : 건설기계, 운반기계, 농업기계, 화학기계, 섬유기계, 광산기계 – 공기조화 및 냉동 시스템 : 에어컨, 냉장고, 냉동 시스템 – 발전 시스템 : 수력, 화력, 원자력 및 신재생에너지 발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 3 3.2 기계부품 에너지 저장 기계부품 스프링(spring) – 탄성체로서 위치에너지 저장요소 – 계측기, 밸브 개폐 조절, 동력원, 차체의 충격 및 진동 완화 등에 사용 – 사용되는 재료나 형상에 따라 분류 (그림 3.1) (a) 코일 스프링 (d) 태엽 스프링 (b) 판 스프링 (e) 디스크 스프링 (c) 인벌류트 스프링 (f) 토션바 스프링 그림 3.1 스프링의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 4 3.2 기계부품 에너지 저장 기계부 품플라이휠(flywheel) – 운동에너지 저장요소/ 크랭크축에 전달되는 운동에너지를 저장해서 크랭크축의 회전운동을 안정적으로 지속시켜 주는 역할 수행 – 원판모양으로 제작/ 질량을 작게, 회전관성을 크게 하기 위하여 원판의 중심부는 얇게 가장 자리 부분은 두껍게 설계 – 주철을 주로 사용, 우수한 내마모성 및 내식성을 얻기 위하여 다양한 합금 원소 추가 그림 3.2 플라이휠의 형상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 5 3.2 기계부품 에너지 발산 기계부품 댐퍼(damper) – 기계나 장치에 충돌 등에 의해 가해지는 에너지를 흡수하여 열과 같은 에너지로 발산하는 기계부품 – 댐퍼의 종류 : 선형 댐퍼, 회전형 댐퍼, 와전류 방식 댐퍼, 자기유변체 댐퍼 등 – 댐퍼 역할을 하는 대표적인 기계부품 : 자동차의 쇼크업소버(그림 3.3) – 댐퍼 및 스프링의 특성을 동시에 갖는 부품 : 방진고무(그림 3.4) (a) 쇼크업소버의 구조 (b) 쇼크업소버의 종류 그림 3.3 쇼크업소버 Introduction to Mechanical Engineering (a) 방진고무의 형상 (b) 방진고무의 설치 예 그림 3.4 방진고무의 형상과 설치 예 기계공학개론 6 3.2 기계부품 회전 기계에너지를 병진 기계에너지로 변환하는 기 계부품 랙 – 피니언(rack - pinion) 기구 – 회전 또는 병진 기계에너지를 병진 또는 회전 기계에너지로 변환 – 렉 – 피니언 기구의 사용 예 : 자동차의 조향장치, 컴퓨터 저장 드라이버의 입출력 헤드의 위치선정, 산악열차 바퀴 등 그림 3.5 랙 – 피니언 기구 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 7 3.2 기계부품 회전 기계에너지를 병진 기계에너지로 변환하는 기계부품 캠(cam) – 특수한 형상의 원동절(캠)을 종동절에 직접 접촉시켜 종동절이 직선 왕복운동을 하게 하는 기구 – – – – 캠의 사용 예 : 내연기관에서 밸브의 개폐, 자동화기계에서 회전운동 → 병진운동 평면 캠 : 요동 캠, 원판 캠, 접선 캠, 원호 캠 (그림 3.6) 확동 캠 : 정면 캠, 삼각 캠(요크 캠) (그림 3.7) 입체 캠 : 원통 캠, 구면 캠, 원추 캠, 단면 캠, 경사판 캠 (그림 3.8) (a) 요동 캠 (b) 원판 캠 (c) 접선 캠 그림 3.6 평면 캠의 종류 Introduction to Mechanical Engineering (d) 원호 캠 (a) 정면 캠 (b) 삼각 캠 그림 3.7 확동 캠의 종류 기계공학개론 8 3.2 기계부품 회전 기계에너지를 병진 기계에너지로 변환하 는 기계부품 (a) 원통 캠 (c) 구면 캠 (b) 원추 캠 (d) 단면 캠 (e) 경사판 캠 그림 3.8 입체 캠의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 9 3.2 기계부품 병진 기계에너지를 회전 기계에너지로 변환하는 기계부품 4절 링크 기구(4–bar–link–mechanism) – – – – – 4개의 바(bar)를 핀으로 연결해서 폐회로 모양으로 구성 (그림 3.9) 평면운동을 함, 한 개의 링크(그라운드링크)는 고정되어 있음 입력링크 : 외력을 주어서 병진 또는 회전 운동을 하게 하는 링크 종속링크 : 종속운동을 하는 링크 Grashof 법칙 : 연속적인 상대운동이 가능 하려면 가장 긴 링크와 가장 짧은 링크의 길이의 합이 다른 두 링크의 길이의 합보다 길지 않아야 함 그림 3.9 4절 링크 기구 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 10 3.2 기계부품 병진 기계에너지를 회전 기계에너지로 변환하는 기계부품 슬라이더–크랭크(slider–crank) 기구 – 무한대의 길이를 가지는 그라운드 링크의 한 쪽 끝에 슬라이더(입력링크), 다른 쪽 끝에 크랭크(출력링크)가 연결된 4절 링크 기구 – 사용 예 : 엔진, 펌프, 너클 조인트의 토글 메커니즘, 기계 프레스, 공기압축기 등 – 사점(dead center) : 슬라이더가 왕복운동 방향을 변환하는 시점 – 상사점(top dead center) : 크랭크와 커넥팅 로드가 일직선으로 쫙 퍼졌을 때의 슬라이더 위치 – 하사점(bottom dead center) : 슬라이더가 크랭크축과 가장 가까이 위치 그림 3.10 슬라이더–크랭크 기구 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 11 3.2 기계부품 기계에너지를 유체에너지로 변환하는 기계부품 펌프(pump) – 기계적 운동에너지를 유체의 위치에너지 또는 운동에너지로 변환 – 펌프의 구성 : 원동기와 구동장치, 커플링, 흡입관, 송출관 등 – 펌프의 종류 : 원심펌프 (벌류트펌프, 터빈펌프), 베인펌프, 기어펌프, 나사펌프 등 (a) 벌류트펌프 (c) 베인펌프 (b) 터빈펌프 (d) 기어펌프 (e) 나사펌프 그림 3.11 펌프의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 12 3.2 기계부품 유체에너지를 기계에너지로 변환하는 기계부품 수차(water wheel) – – – – 물의 운동에너지와 위치에너지를 유용한 기계의 운동에너지로 변환 하차식 수차 : 물이 자연적으로 낙하할 때 발생하는 운동에너지 이용 상사식 수차 : 수관을 통해 물을 다시 끌어올렸다가 낙하 → 수차의 효율 증대 수차의 출력 : 단위시간에 유출하는 유량과 낙차에 의하여 결정 (그림 3.12) 그림 3.12 수차의 낙차 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 13 3.2 기계부품 유체에너지를 기계에너지로 변환하는 기계 부품 터빈(turbine) – 터빈의 고정자의 부채 모양의 날개(blade)와 회전자(rotor)의 날개에 의해 유체의 위치에너지 및 운동에너지를 기계에너지로 변환 – 작동유체와 작동방식에 따라 증기터빈, 가스터빈, 풍력터빈 등으로 분류 – 충동터빈(impulse turbine) : 회전자의 날개에 유체가 지나면서 압력이 변하지 않음 (예: 가스터빈) – 반동터빈(reaction turbine) : 회전자의 날개에 유체가 들어갈 때와 나올 때의 압력이 변함 (예 : 증기터빈) 그림 3.13 터빈의 원리 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.14 충동터빈과 반동터빈 기계공학개론 14 3.2 기계부품 기계에너지를 열에너지로 변환하는 기 계부품 제동장치 – 운동하고 있는 기계를 감속 또는 정지시키고자 할 때 기계가 가지고 있는 운동 에너지를 열에너지로 변환 작동방식에 따른 제동장치 분류 – 블록 브레이크 : 회전하고 있는 축에 붙어 있는 브레이크 드럼에 마찰 블록을 압착시켜 운동에너지를 열에너지로 발산시킴 – 밴드 브레이크 : 회전축에 연결된 드럼의 주위를 밴드로 마찰을 발생하게 하여 마찰력을 생성함 – 드럼 브레이크 : 회전축에 연결된 드럼의 안쪽에서 브레이크 슈가 팽창하여 서로 간의 강한 마찰력을 생성함 – 디스크 브레이크 : 회전축에 연결된 디스크의 한쪽 면 또는 양쪽 면에서 유압 피스톤에 의하여 마찰 패드를 압착하여 디스크와 마찰력을 생성함 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 15 3.2 기계부품 단식 우회전시 복식 (a) 블록 브레이크 좌회전시 (b) 밴드 브레이크 기계식 유압식 (c) 드럼 브레이크 (d) 디스크 블레이크 그림 3.15 브레이크의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 16 3.2 기계부품 열에너지를 기계에너지로 변환하는 기계부품 내연기관 – 연료의 연소에 의한 열에너지가 피스톤 또는 터빈 블레이드 등에 작용하여 기계에너지로 변환 – 내연기관의 종류 : 가스기관, 석유기관, 가솔린기관, 디젤기관 – 가솔린기관 : 가솔린과 공기의 혼합가스를 실린더 안으로 공급하여 점화, 폭발시켜서 동력을 얻는 왕복 피스톤식 기관 그림 3.16 가솔린기관의 작동원리 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 17 3.2 기계부품 그림 3.17 에너지의 변환과 이용 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 18 3.2 기계부품 화석에너지를 열에너지로 변환하는 기 계부품 보일러(boiler) 3.2 기계부품 – 유기물 연료(석탄, 가스, 석유, 나무, 폐기물 등)를 연소시켜 발생된 열을 물에 전달하여, 요구하는 온도와 압력의 열에너지를 갖는 수증기 발생 – 보일러의 종류 : 원통보일러, 수관보일러, 주철제보일러, 특수보일러 등 원통보일러(fire–tube–boiler) – 드럼과 내부에 원통관을 배치하여 드럼 내부의 물과 원통관 내부를 통과하는 연소가스에 의한 전열넓이를 크게 할 수 있는 구조로 되어 있어 설치넓이가 3.2 사용됨 기계부품 크지 않음, 중소 용량으로 주로 그림 3.18 원통보일러 (노통–연관 보일러)의 개략도 및 사진 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 19 3.2 기계부품 화석에너지를 열에너지로 변환하는 기 계부품 수관보일러(water–tube–boiler) – 지름이 작은 드럼과 다수의 수관으로 구성 – 발전소의 중대형 증기발생용으로 사용 – 물의 순환방식에 따라 자연순환식, 강제순환식, 관류식 보일러로 분류 그림 3.19 수관보일러 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 20 3.2 기계부품 화석에너지를 열에너지로 변환하는 기계부품 주철제보일러 – – – – 주철로 된 섹션(section)들을 니플(nipple)로 접속시켜 몸체 구성 다른 보일러에 비해 가격 저렴, 효율 낮음 섹션으로 분할되므로 반입, 조립, 증설 용이 내식성 우수하고 수명이 김 그림 3.20 주철제보일러 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 21 3.2 기계부품 화석에너지를 열에너지로 변환하는 기 계부품 특수보일러 – 용광로, 가열로, 시멘트가마 등에서 나오는 고온의 폐열∙특수연료를 이용해서 증기와 온수를 발생시킴 → 생산원가 절감효과 – 가동 중에도 청소 용이 그림 3.21 특수보일러 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 22 3.2 기계부품 원자력에너지를 열에너지로 변환하는 기 계부품 원자로 – 원자핵에너지를 열에너지로 변환 – 천연우라늄을 사용하는 중수로와 저농축 우라늄을 사용하는 경수로에서 점차 열효율이 높은 고속증식로로 변화 – 원자로 분류 : 가압수형 원자로, 비등경수형 원자로 – 우리나라의 원자로 : 가압경수형 원자로 (월성 원자력발전소 제외) 그림 3.22 가압경수형 원자력발전시스템의 개략도 및 압력용기의 내부구조 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 23 3.2 기계부품 가압수형 원자로 – 감속재 및 냉각재로 경수를 사용하는 원자로(그림 3.23)와 중수를 사용하는 원자로가 있음 – 냉각재(물)가 원자로 내에서 끓지 않도록 100 ~ 160 kg/cm2의 압력을 가함/ 액체상태가 기체상태보다 성능이 좋기 때문 그림 3.23 가압경수형 원자로 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 24 3.2 기계부품 비등경수형 원자로 – 냉각재로 경수 사용, 별도의 감속재 없음, 2 ~ 3%의 저농축 우라늄 사용 – 전체적인 구조가 간단, 온도와 압력이 낮으므로 안정적임 – 사고 시 방사선의 확산 가능성이 크므로 원자로 주위에 복잡한 차폐 및 안전설비를 설치해야 함 – 우리나라 : 비등경수형 원자로 없음 그림 3.24 비등경수형 원자로 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 25 3.2 기계부품 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 기계 부품 전기모터(electric motor) – 전기에너지를 회전 기계에너지로 변환 – 페러데이 법칙에 의해 작동 : 자기장 내부의 도체에 전류가 흐르면 힘이 발생 – 전기모터의 종류 : 직류(DC) 모터, 교류(AC) 모터, 스테핑(stepping) 모터 등 그림 3.25 DC 모터의 작동원리 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.26 상용 전기모터의 구조 기계공학개론 26 3.2 기계부품 발전기(generator) – 회전 기계에너지를 전기에너지로 변환 – 자기장내에서 도체가 움직이면 도체에 전류가 발생 / 전기모터의 작동원리와 정확히 반대 – 전기모터와 발전기가 겸용으로 사용될 수 있음, 대표적인 예 : 하이브리드자동차의 구동용 전기모터 그림 3.27 발전기의 작동원리 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.28 상용 발전기의 구조 기계공학개론 27 3.2 기계부품 기계부품 동영상 (선풍기 부품) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 28 3.3 기계 시스템 수송기계 시스템 산업화에 의해 자본주의 시대 도래 → 대형 수송산업 등장 20세기 이후 : 자동차수송, 항공수송 등 여러 산업 활성화 수송 시스템의 발전과정 – 육상 : 말, 가마 (인력) – 수레, 우마차 (가축, 원형바퀴) – 증기차 – 가솔린차 – 고속철도 – 해상 : 뗏목 (수력) – 노, 돛단배 (인력, 풍력) – 범선 – 철선 – 대형선박 – 항공 : 기구 – 글라이더 – 동력비행기 – 프로펠러비행기 – 제트비행기 – 로켓 – 인공위성 해상 수송 발전과정 항공 수송 발전과정 육상 수송 발전과정 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 29 3.3 기계 시스템 수송기계 시스템 육상 수송기계 시스템 – 고대의 육상 수송시스템 : 바퀴 고안 → 물품들을 편리하게 수송 예) 우차 : BC 2천년경 크메르족이 사용함 (그림 3.29) – 중세의 4륜 자동차 (레오나르도 다 빈치가 고안) : 태엽의 탄성에너지를 구동원으로 하여 자력으로 움직임 (그림 3.30) 그림 3.29 크메르족의 우차 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.30 태엽의 탄성에너지를 이용한 4륜 자동차 기계공학개론 30 3.3 기계 시스템 수송기계 시스템 육상 수송기계 시스템 – 자전거 : 1790년 콩트 드 시브락의 ‘셀레리페르’가 시조 (그림 3.31) 1861년 에르네스트 미쇼의 ‘벨로시페드’ 현대 자전거의 효시 – 증기자동차 : 1769년 뀌뇨의 2기통 증기기관을 탑재한 3륜 증기자동차 (그림 3.32) – 가솔린자동차 : 1886년 2인승 4륜 마차에 가솔린기관 탑재 (그림 3.33) 1913년 포드자동차 대량생산 → 자동차의 대중시대 그림 3.32 퀴뇨의 증기자동차 그림 3.31 세계 최초의 자전거 ‘셀레리페르’ Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.33 메르세데스 벤츠 자동차 기계공학개론 31 3.3 기계 시스템 수송기계 시스 템 해상 수송기계 시스템 – – – – – 인류의 역사는 배의 역사로 불릴 만큼 인류는 물과 밀접한 관계를 가짐 고대의 해상 수송시스템 : 이집트의 ‘파피루스선’ 19세기 까지 : 목조 범선 지속적으로 발전함 1935년 : 최초의 7만톤급 여객선 ‘노르망디호’ 건조 됨 1952년 : 미국의 여객선 ‘United State호’ 대서양 횡단 기록 갱신, 35.95노트의 고속운항 → 선박의 고성능화, 대형화, 전용화 그림 3.34 이집트의 파피루스선 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.35 United States호 기계공학개론 32 3.3 기계 시스템 수송기계 시스 템 수송기계 시스템 항공 – 열기구 : 1783년 프랑스의 조제프와 에티엥 몽골피에 형제가 만든 열기구 사람을 태우고 세계 최초로 비행 성공 - 글라이더 : 1890년 독일의 오토 릴리엔탈이 제작하여 비행 성공 - 항공기 : 1903년 라이트 형제가 최초의 능동적인 항공기 개발 그림 3.37 릴리엔탈의 단엽 글라이더 그림 3.36 몽골피에 형제의 기구 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.38 라이트 형제의 플라이어 비행기 기계공학개론 33 3.3 기계 시스템 기계 시스템 동영상 (라이트 형제의 첫 비행) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 34 3.3 기계 시스템 수송기계 시스템 항공 수송기계 시스템 – 1909년 : 블레리오 단엽 비행기로 영국해협 횡단, 단엽 비행기 공기저항 작음 → 효율성 좋음, 불안정 → 사고 발생 – 1차 세계대전 시 : 복엽 비행기 사용, 전쟁으로 수요급증 → 진보된 항공기술로 신뢰할 만 비행기로 발전 – 1933년 : 미국의 보잉사 세계 최초로 현대적인 정기여객기 보잉 247 취항 – 1930년대 후반 : 제트기관 개발 → 고효율 고속 비행 가능, 항공기의 대중시대 – 1947년 : 로켓 추진 형태의 초음속 비행기 개발 → 우주시대 개척 그림 3.39 보잉 247 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.40 제트기관 그림 3.41 제트기관의 원리 기계공학개론 35 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 산업기계 시스템 – 각종 산업의 생산공정상 사용되는 기계 시스템 – 산업현장의 능률적인 수행에 가장 중추적인 역할을 수행 산업기계 시스템의 종류 – – – – – – – – – – – – 풍수력기계 : 압축기, 송풍기, 펌프 등 광산기계 : 착암기, 콜커터 등 건설기계 : 굴착기, 건설용 트랙터 등 화학기계 : 여과기, 반응장치 등 섬유기계 : 방직기, 메리야스기 등 운반기계 : 덤프트럭, 크레인, 컨베이어 등 금속가공기계 : 압연기, 선반 등 농업기계 : 경운기 등 식품가공기계 : 통조림 제조기 등 인쇄·제본기계 : 인쇄기, 제본기 등 목공기계 : 제재기 등 원동기 : 보일러, 내연기관 등 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 36 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 건설기계 – 토목공사나 건축공사에 쓰이는 기계를 총칭 – 인간의 생활을 쾌적하게 하기 위하여 시행하는 각종 건설공사의 수단으로 사용됨 건설기계의 역사 – 산업혁명 이전 : 사람의 힘, 소나 말과 같은 가축의 힘에 의존하여 건설공사 – 19세기 후반 : 건설기계 제작하여 건설공사에 사용 시작, 증기항타기(1875년), 증기셔블(1881년), 증기롤러(1891년) 등 출현 – 20세기 초반 : 디젤엔진과 가솔린엔진에 의한 자동차산업 발전 → 건설기계산업 급성장, 백호(포크레인; 1965년)의 버킷 유압으로 조작 – 20세기 후반 : 산업발달 → 대형 건설공사 활발, 노임단가 상승, 3D 기피현상 → 건설기계의 대형화 또는 초소형화, 원격조종 무인 건설기계 출현 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 37 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 동영상 (포크레인 낙동강 모래파기) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 38 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 건설기계의 종류 (a) 불도저 (b) 스크레이퍼 (c) 파워셔블 (d) 드래그라인 그림 3.43 다양한 건설기계 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 39 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 운반기계 – 토사, 골재, 암석 등 각종 재료나 장비 등을 필요한 곳으로 수평이동 하거나 수직운반 하는데 사용되는 운반전용기계 – 운반기계의 목적 : 공사 또는 생산 기간을 단축하고 작업 또는 생산 능률을 향상 시키기 위함 → 최근에는 경제성 및 기동성을 향상시키기 위하여 대형 및 고속으로 운반할 수 있도록 제작함 – 작업 또는 생산 능률을 향상시키기 위하여 일반적으로 유압식 채택 – 운반기계의 종류 : 건설공사용 운반기계, 크레인, 컨베이어 등 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 40 3.3 기계 시스템 산업기계 시스 템건설공사용 운반기계 (b) 건설공사 전용 (a) 일반 용 그림 3.44 덤프트럭의 종류 Introduction to Mechanical Engineering (b) 풀 트레일러 (a) 세미 트레일러 그림 3.45 트레일러의 종류 기계공학개론 41 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 크레인(crane) – 화물을 들어 올려서 상하, 좌우, 전후로 운반하는 기계 시스템 (d) 겐트리 크레인 (b) 타워 크레인 (a) 크로울러 크레인 (c) 오버헤드 크레인 그림 3.46 크레인의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 42 3.3 기계 시스템 산업기계 시스템 컨베이어(conveyer) – 공장 내에서의 부품의 운반, 반제품의 이동, 광산∙항만 등에서의 석탄∙광석 ∙화물의 운 반, 건설현장에서 흙과 모래의 운반 등에 사용 (d) 트롤리 컨베이어 (b) 버킷 컨베이어 (a) 벨트 컨베이어 (c) 공기 컨베이어 그림 3.47 컨베이어의 종류 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 43 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시스 템 공기조화 및 냉동 시스템 – 인공적으로 온도, 습도, 기류, 청정도를 실내에 있는 사람 또는 물품, 기계류에 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 시스템 공기조화 및 냉동 시스템의 활용 – 기계, 전자, 전기, 화학, 화공, 섬유, 건축설비, 식품, 제약 등 모든 현대 산업분야 에서 사용, 환경기기로서 거의 모든 생산공정 환경에 필수적으로 활용됨 – 에어컨, 냉장고 등과 같은 가정용으로 이용 → 인간의 문명생활의 편리함과 에너지손실을 절감할 수 있는 현대문명에서 필수적인 시스템 – 사무자동화에 따른 인텔리전트 빌딩의 출현에 의한 건축설비의 급속한 발전과 첨단전자 반도체 산업의 생산공정, 유전공학 발전으로 인한 바이오 기술 관련 시설 등 고도의 청정조건을 요구하는 실내 환경에 대한 수요 확대 → 공기조화 및 냉동 시스템 활용범위 점점 증가 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 44 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시스 템 에어컨 – 주어진 공간을 쾌적한 상태로 공기조화 하기 위하여 실내의 열을 흡수하여 실외로 열을 버리는 공기조화 시스템 – 에어컨의 작동원리 : 기체상태의 냉매(프레온가스)를 고압으로 압축시키면 액체가 되며 이때 열을 실외기에서 방출, 다음 액체가 된 냉매는 실내기에 가서 액체에서 기체로 변하면서 주위의 열을 흡수 그림 3.48 에어컨의 공기조화 방식 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 45 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시 스템 에어컨의 주요부품 및 역할 – 압축기(compressor motor) : 저온∙저압의 냉매가스를 고온∙고압의 기체 상태로 만들어 보내는 역할 – 응축기(condenser) : 중온∙고압의 액체 상태의 냉매로 바꾸어 주는 역할 – 팽창밸브(expansion valve) : 저온∙저압의 액체 상태의 냉매로 바꾸어 주는 역할 – 증발기(evaporator) : 저온∙저압의 기체 상태의 냉매로 바꾸어 주는 역할 (토출) (흡입) 그림 3.49 에어컨의 공기조화 방식 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 46 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시스템 냉장고 – 냉동냉장고의 약칭, 음식물을 차게, 오래, 신선하게 보관 냉장고의 기본구조 – 냉동장치 : 냉동 사이클에 의해 냉장고 내를 냉각 – 전기회로장치 : 냉동 사이클을 가동 시켜 동력을 전달 – 저장고 : 냉장실과 냉동실 냉각방식에 따른 분류 – 직냉식(자연대류 방식), 간냉식(강제순환 방식) (a) 직냉식 그림 3.49 에어컨의 공기조화 방식 Introduction to Mechanical Engineering (b) 간냉식 그림 3.51 냉각방식에 따른 냉장고의 종류 기계공학개론 47 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시스템 냉동 시스템 – 물의 빙점 이하로 냉각하는 시스템 – 압축기와 팽창밸브 및 응축과 증발을 목적으로 하는 열교환기로 구성됨 P H 그림 3.52 기본적인 냉동시스템의 구조 및 P – H (압력 – 엔탈피) Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 48 3.3 기계 시스템 공기조화 및 냉동 시스템 열펌프 – 냉동시스템을 난방 목적으로 겸용으로 사용할 수 있음 – 응축기에서의 냉매의 응축열을 실내로 적절한 팬으로 방열 그림 3.53 열펌프의 냉난방 동작 예 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 49 3.3 기계 시스템 발전 시스템 발전 시스템 – 자연계에 존재하는 여러 형태의 에너지 → 좀더 사용하기 편리한 전기에너지로 변환 발전 시스템의 구성 – 기계부품 : 보일러, 원자로, 풍차, 수차, 터빈 등 – 전기기계부품 : 발전기 발전 시스템의 종류 – – – – 수력발전 시스템 화력발전 시스템 원자력발전 시스템 신재생에너지(태양광, 풍력, 조력 등) 발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 50 3.3 기계 시스템 수력발전 시스템 수력발전 시스템 – 하천이나 저수지 물을 낙차에 의한 위치에너지 이용 – 발전기 출력 : 물의 낙차와 수량과의 곱에 비례 – 수력발전방식 : 유입식, 조정지식, 저수지식, 양수식 그림 3.54 수력발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.55 수력발전의 원리 기계공학개론 51 3.3 기계 시스템 수력발전 시스템 수력발전 시스템의 종류 그림 3.56 유입식 발전 시스템 그림 3.58 저수지식 발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.57 조정지식 발전 시스템 그림 3.59 양수식 발전 시스템 기계공학개론 52 3.3 기계 시스템 화력발전 시스템 기력발전 시스템 – 연료를 연소하여 얻어지는 열에너지를 보일러의 물에 전달 – 물이 고온∙고압의 증기로 변환 – 물이 보일러와 터빈 사이를 순환하면서 열 사이클을 구성 그림 3.60 기력발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 53 3.3 기계 시스템 화력발전 시스 템 복합발전 시스템 – 열효율 향상을 위해 두 종류의 열 사이클 조합 – 1차 : 가스터빈, 2차 : 증기터빈을 돌려 발전 (열효율 : 50%) – 석탄가스화 복합발전, 연료전지 복합발전, 칼슘터빈 복합발전 등의 연구 개발 추진 중 그림 3.61 복합발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 54 3.3 기계 시스템 화력발전 시스템 열병합발전 시스템 – 에너지 효율을 높이기 위해 동일 연료원으로부터 열과 전기를 동시에 생산 – 열에너지 사용 순서에 따라 상단 사이클과 하단 사이클로 구분 그림 3.62 열병합발전 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 55 3.3 기계 시스템 원자력발전 시 스템 원자력발전 시스템 – 우라늄이 핵분열 할 때 나오는 열로 증기를 만들어 그 에너지로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 발전 시스템 그림 3.63 원자로의 구조 Introduction to Mechanical Engineering 그림 3.64 핵분열의 원리 기계공학개론 56 3.3 기계 시스템 원자력발전 시스 템 원자로 분류 : 경수로와 중수로 – 가압경수로 : 저농축 우라늄을 연료로 사용, 냉각재와 감속재로는 경수 사용 – 가압중수로 : 천연우라늄을 연료로 사용, 냉각재와 감속재로 중수 사용 그림 3.66 가압중수로 그림 3.65 가압경수로 표 3.1 가압경수로 및 가압중수로의 특성 원자로형태 가압경수로형 가압중수로형 Introduction to Mechanical Engineering 사용연료 저농축우라늄 (U235, 약 2~5%) 천연우라늄 (U235, 약 0.7%) 냉각재·감속재 경수 중수 연료교체시기 15~18개월마다 정지 후 1/3씩 교체 운전 중 매일 교체 기계공학개론 57