랭킨사이클의 효율은 앞의 8.1절 예제에서 보았듯이 효율이 30% 전후로 상당히 낮다. 따라서 랭킨사이클의 효율(성능)을 상승시키는 방법은 중요하고 이에 대해 알아보고자 한다.
평균 열공급온도와 열효율
효율 상승 방법에 대해 설명하기 위해, 먼저 다음과 같은 고온에서의 평균 열공급온도를 정의한다.
그림 1. 랭킨사이클 – 평균 열공급온도
평균 열공급온도를 그림 1에 나타내고 있으며, 그림의 면적을 사용하여 설명하면 다음과 같다.
따라서 랭킨사이클의 효율은 다음처럼 나타낼 수 있다.
보일러 압력 상승(증발온도 상승)
그림 2. 랭킨사이클 – 보일러 압력 상승
응축기 압력 감소(응축온도 감소)
랭킨사이클의 효율을 높이려면, 또한 TL을 낮추면 되고, 응축기의 압력을 낮추면 된다.
응축기의 압력을 낮추면 당연히 응축기에서의 응축온도 TL이 감소하여 식 (3)으로 부터 효율이 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.
그림 3. 랭킨사이클 – 응축기 압력 감소
효율이 상승하여 순동력이 증가하기도 하지만, 공급열 자체도 증가하기 때문에 단순한 효율 상승효과보다 더 많이 순동력이 증가하게 된다.
더욱 더 과열하여 상태 3‘’와 같은 과열증기가 되면 평균 열공급온도는 더 상승하여 효율이 상승하게 된다.
그러나 실제로는 무한히 최고온도를 높일 수는 없고 터빈 날개(blade) 재질의 문제로 인해 한계가 존재한다.
그림 4. 증기 동력시스템 - 과열기
그림 5. 랭킨사이클 – 과열도 증가
과열을 하여 얻는 또다른 이점은 터빈 출구에서 건도가 증가한다는 것이다. 그림 4에서 단순히 상태 3의 건포화증기를 사용하면 터빈 출구에서 건도가 상당히 낮아, 습증기가 많아지게 되고 이것은 터빈 날개 등에서 침식등의 문제를 일으키고 또한 실제 사이클의 효율을 감소시키게 된다.
그림에서 보듯이 과열하는 경우는 터빈 출구에서 건도가 높아진다는 것을 알 수 있다.
또 다른 성능 향상의 방법으로 재열기를 사용하는 것이다. 하나의 터빈을 사용하여 한꺼번에 응축기 압력까지 팽창하지 않고 두 개의 터빈을 사용하여 첫번째 터빈에서 중간의 어떤 압력까지 팽창한 다음 보일러로 수증기를 다시 보내 가열(재열)한 후 두번째 터빈으로 보내 응축기 압력까지 팽창하는 재열사이클을 이용하면 성능을 향상시킬 수 있다.
재열사이클은 그림 5에 개략적으로 나타내고 있다.
재열사이클의 주된 목적은 그림에서 보듯이 터빈 출구에서 건도를 높이는 것이다. 그리고 부차적으로 효율과 성능이 높아진다.
재열사이클에 대해서는 8.3절에서 예제와 함께 상세히 설명하기로 한다.
그림 6. 재열 랭킨사이클
마지막으로 랭킨사이클의 효율을 높이는 방법이 재생사이클이다. 재생사이클은 터빈에서 팽창하는 도중에 수증기의 일부를 추출하여 급수를 가열하는데 사용하여 공급되능 열과 방출되는 열을 줄여 열효율을 높이는 방법으로 역시 설명이 복잡하여, 8.4절에서 상세히 설명하기로 한다.
랭킨사이클의 성능(효율) 향상의 방법을 요약하면 다음과 같다.
① 보일러의 압력을 상승시킨다. 즉, 평균열공급온도 상승시킨다.
② 응축기의 압력을 내린다. 즉, 열방출온도를 내린다.
③ 과열기 사용하여 수증기를 과열한다. 즉, 평균열공급온도 상승시킨다.
④ 재열사이클을 사용하여 수증기를 재열시킨다. 이 재열사이클의 주 목적은 터빈입구에서의 수증기 건도를 상승시키는 것이다
⑤ 재생 사이클 사용한다. 재생사이클을 사용하면 방출되는 열을 줄일 수 있다.
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