랭킨 사이클과 증기 원동소 — 보일러·터빈·복수기·펌프와 T-S 선도 | 기초 열역학 3.2.2-1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 02 증기 동력 기관과 사이클
3.2.2-1 랭킨 사이클의 개요와 증기 원동소
보일러·터빈·복수기·급수 펌프 네 장치가 만드는 네 과정. T-S 선도에서 그 네 과정이 어떤 선으로 보이는지까지.
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01랭킨 사이클 — 열을 동력으로 바꾸는 이상적인 본보기교재 169p
앞 편에서 본 외연기관 — 물을 밖에서 데워 그 증기로 일을 얻는 방식. 그 방식을 열역학으로 설명한 기본 모델이 랭킨 사이클임.
- 랭킨 사이클(Rankine Cycle) — 증기 동력 설비에서 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 과정을 설명하는 가장 이상적인 열역학적 모델.
- 어디에 쓰이는가 — 화력 발전 · 원자력 발전소 등 오늘날 전 세계 전력 생산의 상당 부분이 증기 동력 설비에 기댐.
- 왜 먼저 배우는가 — 증기 동력 플랜트의 성능을 분석하고 효율을 개선하는 데 가장 기본이 됨.
- 이상화한 순환 — 열을 받아 고온·고압의 증기가 되고, 팽창해 일을 낸 뒤 다시 액체로 응축되는 한 바퀴.
02증기 원동소 — 네 장치가 한 고리를 이룸교재 170p
- 증기 동력 장치(Steam Power Plant) · 증기 원동소 — 고온·고압의 증기가 가진 열에너지를 동력으로 바꾸는 모든 장치.
- 닫힌 고리 — 네 장치 안을 작동 유체(물)가 순환하며, 이 순환 전체를 증기 동력 사이클이라 부름.
| 장치 | 맡은 구실 |
|---|---|
| 보일러 | 물이 외부에서 열을 받아 고온·고압의 증기로 상태가 변함 |
| 터빈 | 증기가 팽창하며 날개를 돌려 동력을 냄 |
| 복수기(응축기) | 냉각수에 열을 빼앗겨 다시 액체 물로 응축됨 |
| 급수 펌프 | 압력을 높인 채 다시 보일러로 보냄 |
03네 과정 — 한 바퀴에 물이 네 번 모습을 바꿈교재 172p~174p
| 과정 | 이름 | 맡는 장치 | 나오는 상태 |
|---|---|---|---|
| 1 → 2 | 등엔트로피 압축 | 펌프 | 압축액 |
| 2 → 3 | 정압 가열 | 보일러 | 과열 증기 |
| 3 → 4 | 등엔트로피 팽창 | 터빈 | 습증기 |
| 4 → 1 | 정압 방열 | 응축기 | 포화액 |
주고받는 양은 넷 — 보일러가 준 열 · 터빈이 낸 일 Wₜ · 응축기가 냉각수로 버린 열 · 펌프에 넣어 준 일 Wₚ. 응축기가 포화액으로 되돌려 놓아야 사이클을 다시 시작할 수 있음.
04T-S 선도 — 세로로 서는 두 선 · 가로로 눕는 두 선교재 174p
1등엔트로피 과정 ×2
- 1 → 2 펌프의 압축 · 3 → 4 터빈의 팽창.
- 엔트로피가 그대로이므로 세로로 곧게 선 선.
2정압 과정 ×2
- 2 → 3 보일러의 가열 · 4 → 1 응축기의 방열.
- 압력이 일정하므로 가로로 누운 선.
- 두 축 — 가로축이 엔트로피 s · 세로축이 온도 T.
- 종 모양 곡선 — 포화 구역의 경계. 곡선 안쪽이 두 상이 섞인 혼합물.
- 네 선이 둘러싼 넓이 — 한 바퀴에서 남는 일의 양.
05사이클의 종류 — 기본 하나에 손본 셋교재 171p~172p
- 랭킨 — 보일러 · 터빈 · 응축기 · 급수 펌프로 구성된 가장 이상적인 기본 사이클.
- 재생 — 팽창 중인 증기 일부를 빼내 급수를 미리 데움. 복수기로 버려지던 열을 사이클 안으로 되돌려 쓰는 셈이므로 재생.
- 재열 — 팽창 중인 증기를 재열기로 다시 데워 저압 터빈에서 일을 더 하게 함. 습도에 따른 날개 침식·마모를 줄임.
- 재열-재생 — 두 방식을 조합. 현대의 대규모 발전소가 대부분 쓰는 방식.
06자주 어긋나는 자리 — 이름과 용어교재 169p~174p
짚고 갈 세 가지
- 복수기 = 응축기 — 한 장치의 두 이름. 교재가 둘을 섞어 쓰므로 서로 다른 장치로 세지 않도록 함.
- 등엔트로피 = 이상적인 단열 — 마찰 같은 비가역 요인이 없다고 본 단열 압축·팽창. 정압 과정과 단열 과정의 정의는 2.2.3 에서 이미 끝남.
- 냉각수는 사이클 밖 — 증기와 물은 닫힌 회로를 돌지만 연소 가스와 냉각수는 밖에서 드나듦. 냉각수로 보통 강물이나 바닷물을 쓰므로 발전소가 강가·바닷가에 섬.
이 절의 핵심 정리
- 랭킨 사이클은 증기 동력 설비를 설명하는 가장 이상적인 열역학 모델이다.
- 증기 원동소의 네 장치는 보일러·터빈·복수기(응축기)·급수 펌프다.
- 네 과정은 등엔트로피 압축 → 정압 가열 → 등엔트로피 팽창 → 정압 방열이다.
- 작동 유체는 포화액 → 압축액 → 과열 증기 → 습증기를 거쳐 다시 포화액이 된다.
- T-S 선도에서 등엔트로피는 수직선, 정압은 수평선으로 나타난다.
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