공조냉동기계기사 압축기 — 정상 유동장치의 에너지 수지와 효율

몰리에 선도는 가로축에 엔트로피, 세로축에 엔탈피를 놓는 선도로, 터빈이나 압축기, 노즐처럼 유체가 계속 흘러 들어가고 나가는 정상 유동장치의 상태 변화를 해석하는 데 쓴다. 세로축에 온도를 둔다거나 밀도나 비체적과 압력을 축으로 잡는다고 적은 설명은 다른 선도의 특징을 옮겨 놓은 것이다.

보일러에 공급할 열량은 정상류 에너지 방정식으로 구한다. 열량은 질량 유량에 엔탈피 변화와 운동에너지 변화를 더한 값을 곱해 계산한다. 물 2000 kg/h가 시간당 단위로 주어지면 먼저 초당 약 0.556 kg/s로 바꾸고, 엔탈피 변화는 출구 3115 kJ/kg에서 입구 167 kJ/kg을 빼 2948 kJ/kg, 운동에너지 변화는 속도 차이를 제곱해 (50² − 5²)/2 = 1237.5 J/kg = 1.2375 kJ/kg으로 잡는다. 두 값을 더해 질량 유량을 곱하면 약 1638 kW가 된다. 질량 유량을 초당으로 바꾸는 일이 첫 관문이고, 운동에너지 항은 엔탈피 변화에 견주어 매우 작다는 점도 함께 기억한다.

터빈이 내는 실제 일은 이론적인 엔탈피 강하량에 효율을 곱해 구한다. 입구 엔탈피 3390 kJ/kg, 가역 단열 팽창 시 출구 엔탈피 2135 kJ/kg이라면 강하량은 1255 kJ/kg이고, 효율 85%를 곱하면 실제 일은 1066.75 kJ/kg, 약 1067 kJ/kg이 된다. 효율을 곱하지 않은 1255 kJ/kg이 그대로 보기에 나오는 것이 대표적인 함정인데, 효율이 1보다 작으므로 실제 일은 언제나 이론적인 일보다 작다는 점을 먼저 새겨 두면 걸러낼 수 있다. 터빈이 가장 이상적으로 일하는 과정은 열 교환 없이 팽창하는 가역 단열, 곧 등엔트로피 과정이다. 정압이나 정적 과정은 팽창 작동과 어긋나고 등온 과정은 열 교환을 수반한다.

보일러의 효율은 물이 실제로 얻은 열량을 연료가 준 열량으로 나눠 구한다. 증기 엔탈피 3230 kJ/kg에서 급수 엔탈피 830 kJ/kg을 빼 2400 kJ/kg을 얻고, 여기에 증발량 380,000 kg/h을 곱해 9.12×10⁸ kJ/h를 구한다. 연료 쪽은 발열량 32,000 kJ/kg에 소비량 34,000 kg/h을 곱해 1.088×10⁹ kJ/h가 되므로, 효율은 약 83.8%가 된다. 어느 값에 어느 값을 곱하는지 순서를 지키는 것이 계산의 관건이다.

발전소의 열효율은 출력을 입력열량으로 나눠 구한다. 석탄 3600 kg/h를 태우고 6050 kW를 내는 화력발전소라면, 석탄 발열량 29,900 kJ/kg에 시간당 소비량을 곱해 107,640,000 kJ/h를 얻은 뒤 3600으로 나눠 29,900 kW로 단위를 맞춘다. 출력을 이 값으로 나누면 6050 ÷ 29,900 ≈ 0.202로 약 20%가 된다. kJ/h를 kW로 바꾸는 나눗셈을 빠뜨리면 값이 크게 어긋난다.

증기 발전 시스템에서 열효율을 높이는 장치도 함께 구분한다. 재열기는 터빈에서 일부 일을 한 증기를 다시 보일러로 보내 가열하는 장치이고, 과열기는 보일러에서 나온 포화증기를 처음 가열해 과열증기로 만든다. 절탄기는 보일러로 들어가는 급수를, 공기 예열기는 연소용 공기를 미리 데우는 장치다.