공조냉동기계기사 동력시스템 개요 — 각종 사이클의 쓰임과 효율 인자

동력 장치마다 기준이 되는 사이클이 갈린다. 가스터빈은 공기 표준 브레이턴 사이클로 작동하고, 증기 동력 시스템은 랭킨 사이클로 설명한다. 피스톤 기관은 연소 방식에 따라 오토사이클과 디젤사이클로 나뉜다. 디젤사이클은 등엔트로피 압축, 등압 가열, 등엔트로피 팽창, 등적 방열의 네 과정으로 이루어져 등온 과정을 포함하지 않는다 — 등온 과정은 카르노 사이클에서 나오는 과정이다.

브레이턴 사이클의 열효율은 순일을 입열로 나눠 구한다. 순일은 터빈에서 얻은 일에서 압축기에 넣은 일을 뺀 값이다. 압축기에서 175 kJ/kg이 들고 터빈에서 406 kJ/kg을 얻으며 열교환기에서 627 kJ/kg이 들어가는 가스터빈이라면 순일은 406 − 175 = 231 kJ/kg이고 열효율은 231 ÷ 627 ≈ 0.37이 된다. 열효율은 압력비가 커지면 올라가므로 목표 효율에서 압력비를 거꾸로 계산하기도 한다 — 비열비 1.3인 브레이턴 사이클에서 압력비 3일 때의 열효율보다 12%p 높은 효율을 얻으려면 압력비를 약 6.2로 잡아야 한다.

오토사이클의 열효율은 압축비와 비열비로 정해진다. 열효율은 1 − 1/r^(k−1)이므로 비열비 1.4일 때 열효율 55%를 내려면 압축비가 약 7.4이고, 열효율 56.5%라면 압축비가 약 8.0이다. 지수 0.4를 계산기로 정확히 처리하는 것이 계산의 관문이다.

이상 사이클로 카르노를 택하지 않고 랭킨을 택한 이유는 증기의 상태에 있다. 카르노 사이클은 증발과 응결 과정에서 액체와 기체가 섞인 습증기를 압축해야 하는데, 습증기를 효율적으로 압축하는 펌프를 만드는 일이 기술적으로 어렵고 터빈에서는 습증기가 날개를 침식시킨다. 랭킨 사이클은 증기를 완전히 응축해 액체로 만든 뒤 액체를 압축하므로 펌프가 훨씬 쉽고 효율적이다. 그래서 실제 증기 동력 시스템은 카르노가 아니라 랭킨을 쓴다.

증기동력 사이클의 열효율을 높이는 인자는 방향이 정해져 있다. 보일러에서 최고 압력을 높이면 증기가 더 높은 온도에서 가열되어 평균 가열 온도가 오르므로 효율이 좋아진다. 재열 사이클은 터빈 끝단의 습도를 줄이고 효율을 높이려고 쓰며, 터빈 토출 압력(배기압)을 낮추는 것도 효율을 높인다. 다만 보일러의 가열은 등압 과정으로 진행되지 등온 과정이 아니라는 점은 함께 기억해 둔다.

열역학 제2법칙은 자연 현상이 어느 방향으로 일어나는지를 밝히는 법칙이다. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 미지근한 물이 되지만 그 반대는 저절로 일어나지 않는다는 것이 그 예다. 제2법칙은 이렇게 자발적 과정의 방향성을 제시하고 엔트로피가 늘어나는 쪽을 말한다 — 에너지의 양이 보존된다는 것은 제1법칙의 내용이고, 에너지의 종류를 판단하거나 장치의 크기를 아는 일은 제2법칙의 내용이 아니다.