개념 한 쪽
동력시스템은 열역학 사이클의 원리를 적용하여 열에너지를 기계적 일로 변환하는 장치군을 말한다. 대표적으로 카르노, 오토(가솔린), 디젤, 브레이턴(가스터빈), 랭킨(증기) 사이클이 있으며 사이클별 열효율과 구성요소가 다르므로 목적에 맞게 선택하고 개선한다.
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출제기준 단원 「동력시스템 개요」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 오토 사이클 열효율 계산 | 1 | 압축비와 비열비로 오토 사이클 이론열효율을 계산하기 |
| 증기기관 증기소비율 계산 | 1 | 단위출력으로부터 1kWh당 증기소비량을 구하기 |
| 카르노 사이클 효율 계산 | 1 | 고저온 절대온도 비로 카르노 사이클 이론효율을 계산하기 |
동력사이클은 열원과 저온역 사이의 열교환 과정을 통해 순일을 얻는 이상화한 과정들이다. 각 사이클은 열추가와 팽창, 축열과 압축의 순서 및 압력·온도의 변화 특성에 따라 분류된다. 대표적 예로 카르노 사이클은 이상적 최대 효율을 주며 고저온의 절대온도 비율로 효율을 계산한다.
오토 사이클은 가솔린 엔진의 이상 사이클로서 등압(연소) 과정을 포함하며 열효율은 압축비와 작동유체의 비열비 k에 따라 결정된다. 공식 η = 1 - 1/r^(k-1)을 사용하여 압축비가 같을 때 비열비가 클수록 효율이 높아진다는 성질을 갖는다.
브레이턴 사이클은 가스터빈의 이상 사이클로 연소가 정압에서 일어나며 흐르는 기체를 다루는 특성상 정압연소사이클로 분류한다. 랭킨 사이클은 증기사이클로 보일러에서 증기를 과열하거나 응축기 압력을 낮추는 식으로 효율 개선이 가능하다.
사이클 성능 문제는 주어진 엔탈피, 유량, 가열량·방열량 등 에너지 수지 관계식을 세워 해석하는 문제가 많다. 순출력은 공급열에서 폐열을 빼는 방식으로 빠르게 구할 수 있고, 부분 추출이 있는 터빈 문제는 부분 질량유량과 엔탈피차의 합으로 에너지 균형을 세워 풀어야 한다.
오토 사이클 열효율 계산 예를 든다. 압축비 r=6, 비열비 k=1.4이면 η = 1 - 1/6^(0.4) ≈ 0.512으로 약 51.2%가 된다. 이 계산은 η 공식에 r과 k를 대입하여 지수 연산을 수행하는 절차로 진행한다.
증기기관의 증기소비율 계산 예를 든다. 1kWh는 3600kJ이므로 단위출력 800kJ/kg일 때 증기소비율은 3600 ÷ 800 = 4.5kg/kWh가 된다. 주어진 단위출력이 이미 1kg당 실제 출력인 경우 열효율 값은 이 계산에서 추가 인자가 되지 않는다.
압력 P1 및 P2 사이에서 (P1 ＞ P2) 작용하는 이상공기냉동기의 성능계수는 약 얼마인가? (단, P2/P1 = 0.5, k = 1.4이다.)
정답 ③ · 이상공기냉동(가스 냉동) 사이클의 성능계수(COP)는 압력비와 비열비(k)를 이용하여 COP = 1 / (rp^((k-1)/k) - 1) 로 계산됩니다. 주어진 조건 P2/P1=0.5이므로 팽창비(압력비 역수)와 관련되어 rp(압축비)는 2.0이 됩니다.
이상공기냉동기 COP는 1/(rp^((k-1)/k)-1) 공식에 압축비 2와 k=1.4를 대입하면 약 4.57이다.
오토 사이클의 압축비가 6인 경우 이론 열효율은 약 몇 % 인가? (단, 비열비 = 1.4 이다.)
정답 ① · 오토 사이클(Otto cycle)의 이론 열효율은 주로 압축비(r)와 비열비(k)에 의해 결정되며, 공식은 η = 1 - 1 / r^(k-1) 입니다. 주어진 압축비 r = 6 이고, 비열비 k = 1.4 임을 이용하여 계산합니다.
오토 사이클의 열효율은 압축비와 비열비만으로 결정되며 η=1-1/r^(k-1) 공식에 값을 대입하여 계산한다.
열효일이 25%이고 수증기 1kg당 출력이 800kJ/kg인 증기기관의 증기소비율은 몇 kg/kWh인가?
정답 ② · 증기기관의 단위출력이 주어졌을 때 증기소비율을 구하는 문제이다. 증기소비율은 1kWh의 일을 생산하는 데 필요한 증기량으로, 1kWh = 3600kJ이므로 증기소비율 = 3600 ÷ 단위출력으로 계산한다.
증기소비율은 1kWh(3600kJ) 생산에 필요한 증기량으로, 단위출력 역수×3600으로 계산한다.
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