화력 발전 | 기초 열역학 3.2.3
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 02 증기 동력 기관과 사이클
3.2.3 화력 발전
랭킨 사이클이 실제 장치로 서는 자리. 연료의 화학 에너지가 전기가 되기까지 네 번 모습을 바꾸는 과정과 보일러·과열기·재열기가 맡은 구실.
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01화력 발전 — 랭킨 사이클의 Q(보일러) 자리에 연소열을 넣은 것교재 184p
- 화력 발전 — 화석 연료를 태운 열로 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기의 힘으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 얻는 방식.
- 앞 편에서 이어받는 자리 — 랭킨 사이클에서는 보일러가 넣는 열을 Q(보일러) 로만 적었고, 그 열이 어디서 온 것인지는 묻지 않았음.
- 연료 — 석탄 · 석유 · 천연가스. 밖에서 열만 대면 되는 외연기관이므로 사이클은 그대로 두고 열을 대는 쪽만 정한 셈.
02네 번의 에너지 변환 — 화학 에너지가 전기가 되기까지교재 184p
| 걸음 | 변환 | 일어나는 일 |
|---|---|---|
| 1 | 화학 → 열 | 보일러 연소실에서 연료를 연소시켜 고온의 열에너지를 냄 |
| 2 | 열 → 엔탈피 | 그 열로 물을 가열해 고온 · 고압의 과열 증기로 만듦 |
| 3 | 엔탈피 → 기계 | 과열 증기가 터빈에서 팽창하며 날개를 고속으로 회전시킴 |
| 4 | 기계 → 전기 | 터빈에 이어진 발전기가 돌며 전기 에너지를 생산함 |
네 걸음 가운데 첫 걸음이 일어나는 곳이 보일러 — 화력 발전소의 심장.
03보일러가 맡은 구실 — 태우고 · 데우고 · 보냄교재 184p~185p
- 보일러(Boiler) — 연료의 화학 에너지를 열에너지로 바꾸는 첫 번째 변환이 일어나는 장치.
- 태움 — 연료와 공기를 넣어 연소시켜 열을 냄.
- 데움 — 그 열로 보일러 안의 물을 가열해 증기로 바꿈.
- 보냄 — 터빈을 돌릴 수 있는 온도와 압력의 증기를 만들어 터빈으로 보냄. 교재가 짚은 보일러의 핵심 임무.
04보일러의 두 부분 — 태우는 쪽과 데우는 쪽교재 185p
1연소 장치
- 연료를 공기와 함께 안정적으로 태워 거대한 화염과 고온의 연소 가스를 만듦.
- 목표 — 최대한 완전히 연소시켜 가장 높은 온도의 열에너지를 냄.
2보일러 본체 · 전열면
- 수많은 관으로 이루어진 밀폐된 용기.
- 관 밖으로 연소 가스, 관 안으로 급수 펌프가 보낸 물. 관 벽을 건너온 열을 물이 흡수해 차츰 증기가 됨.
섞이지 않고 열만 건너감
- 물과 증기 — 폐쇄 회로 보일러 안을 돌며 밖으로 유출되지 않음. 같은 물이 되풀이해 돎.
- 연료와 연소 가스 — 개방 회로 연소한 뒤 굴뚝으로 배출되며 돌아오지 않음.
- 두 회로가 만나는 자리는 관 벽 하나뿐.
05과열기와 재열기 — 효율을 얻으려고 보태는 장치 둘교재 185p~186p
- 과열기(Superheater) — 본체에서 막 생긴 포화 증기를 다시 한번 가열해 온도를 끓는점 이상으로 훨씬 높여 과열 증기로 만듦.
- 포화 증기의 두 문제 — 터빈을 돌리기에 에너지가 모자람, 미세한 물방울을 품고 있을 수 있음. 과열 증기는 수분 입자가 없어 날개를 손상시키지 않음.
- 재열기(Reheater) — 고압 터빈에서 어느 정도 일을 마친 증기를 보일러로 끌어와 재가열해 저압 터빈으로 보냄.
- 얻는 것 — 식어 가는 증기의 남은 힘까지 쓰므로 발전소 전체의 열효율이 더욱 올라감.
06앞 편의 사이클과 이어짐 — 장치로는 보태도 구조로는 갈림교재 186p
- 재열 사이클 — 재열기를 둔 것. 터빈 날개의 침식을 줄이면서 효율을 올림.
- 재생 사이클 — 팽창 중인 증기 일부를 빼내 급수를 미리 데움.
- 재열 · 재생 — 둘을 함께 둔 것. 현대의 대규모 발전소가 쓰는 방식.
자주 어긋나는 자리
- 과열기는 기본 사이클에 이미 들어 있어 사이클의 구조를 바꾸지 않는 장치.
- 재열기와 급수 가열기는 사이클의 구조를 고쳐야 생기는 장치. 셋을 보탬으로만 묶으면 이 차이를 놓침.
이 절의 핵심 정리
- 화력 발전은 랭킨 사이클의 QB를 화석 연료의 연소열로 대는 방식이다.
- 에너지는 화학 → 열 → 엔탈피 → 기계 → 전기로 네 번 모습을 바꾼다.
- 보일러는 연소 장치와 본체로 나뉘고, 관 벽을 사이에 두고 열만 건너간다.
- 물과 증기는 폐쇄 회로를 돌고, 연료와 연소 가스는 개방 회로로 지나간다.
- 과열기는 젖은 증기를 말리고, 재열기는 식은 증기를 다시 데운다.
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