[열역학] 8.1 랭킨 사이클 – 증기동력 사이클 - 강의자료 PDF파일 제공

증기동력 시스템

열역학이나 열공학에서의 주된 관심사는 열을 공급하여 일을 하는, 즉 동력을 얻는 것이다. 열은 보통 연료를 연소하여 고온에서 공급하며, 동력을 얻어 발전을 하여 전기를 얻거나, 직접 선박이나 자동차의 추진 등에 이용하기도 한다.

8장에서는 주로 물을 가열하여 고온 고압의 수증기로 만들어 동력을 얻는 증기동력사이클에 대해 설명하기로 한다.

그림 1에 이상화된, 가장 기본적인 증기동력 시스템의 개략도를 나타내고 있다.

그림 1. 증기동력 시스템의 개념도

그림 1에 나타낸 기본적인 증기동력 시스템은 점선으로 표시된 전체 부분이고, 내부적으로는 펌프, 보일러, 터빈과 응축기로 구성되어 있다. 전제적인 시스템의 관점에서 보면, qH의 열을 받아, qL의 열을 저온에서 방출하고 wnet의 일을 하는 형태이다.

각 부분의 구성과 기능은 다음과 같다.

랭킨사이클

그림 1과 같은 증기동력 시스템은 이상적으로 사이클로 나타낼 수 있으며, 증기동력 사이클이라 한다. 이것의 대표적인 것이 랭킨사이클(Rankine cycle)이다.

랭킨 사이클은 정상상태 정상유동으로 이루어지며, 모든 과정이 가역적이라 가정하고 이것을 Ts선도로 나타낸 것이 그림 2이고 그림에서의 번호 1, 2, 3, 4는 그림 1에서 표시된 위치의 상태를 나타낸다.

그림 2에서 압축액선(22‘선)은 많이 과장되고 왜곡되어 있다. 실제의 데이타를 사용한 모습은 그림 3과 같이 포화액선과 포화액선의 차이는 아주 작아 구분할 수 없을 정도로 일치한다. 다만 랭킨사이클의 전체 개념을 이해하기 위해 그림 2와 같이 과장 왜곡된 그림을 사용하고 있음을 알고 있어야 한다.

그림 2. 랭킨사이클 – Ts선도

그림 3. 랭킨사이클 – Ts선도 – 실제 data 사용

랭킨 사이클 hs선도로 나타낸 것이 그림 4이고, Ts선도와 마찬가지로, 압축액선(22‘선)은 많이 과장되고 왜곡되어 있다. 실제의 데이타를 사용한 모습은 그림 5와 같이 포화액선과 포화액선의 차이는 아주 작아 구분할 수 없을 정도로 일치한다. 다만 랭킨사이클의 전체 개념을 이해하기 위해 그림 4와 같이 과장 왜곡된 그림을 사용하고 있음을 알고 있어야한다.

그림 4. 랭킨사이클 – hs선도

그림 5. 랭킨사이클 – hs선도 – 실제 data 사용

랭킨 사이클은 다음 과정으로 이루어져 있다.

1-2 과정 : 펌프에서의 등엔트로피 압축과정으로 일을 공급받는 과정.

2-3 과정 : 보일러에서의 정압 가열과정으로 고온에서 열을 공급받는 과정. 고온의 열원으로는 석유, 석탄, 천연가스 등의 연소, 핵연료의 열발생 등을 통한 열전달로 이루어진다. 상태 2의 압축액은 정압에서 가열되어 상태 2‘의 포화액이 되며, 건포화증기는 과열기에서 더욱 가열되어 상태 3의 건포화증기로 보일러를 나가게 된다. 상태 3’인 과열증기 상태로 보일러를 나가는 경우가 더 많이 사용된다.

3-4 과정 : 터빈에서의 등엔트로피 팽창과정으로 일을 하는 과정.

4-1 과정 : 응축기에서의 정압 냉각과정으로 저온으로 열을 방출하는 과정.

랭킨사이클의 해석 및 효율

랭킨 사이클은 전체적으로 보면, 그림 1에 점선으로 표시된 전체 부분은 사이클을 이루는 시스템으로 해석할 수 있다.