개념 한 쪽
랭킨사이클은 보일러에서 증기를 생성해 터빈에서 팽창시키고 응축기에서 응축하여 반복하는 열기관 사이클이다. 열효율은 고온측 온도를 높이고 저온측 온도를 낮추는 방식으로 개선하며, 과열과 재열은 평균 열공급 온도를 올려 효율을 증가시키는 수단으로 사용된다.
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출제기준 단원 「랭킨사이클」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열효율 개선 요소 판단 | 1 | 어떤 조치가 랭킨사이클의 효율을 높이는지 식별하기 |
| 과열의 영향 분석 | 1 | 과열이 터빈 건도와 효율에 미치는 영향을 가리기 |
| 열역학 계산 적용 | 1 | 사이클 관련 에너지 비율 또는 성능계수 계산 문제를 해결하기 |
랭킨사이클의 열효율은 고온열원의 온도를 높이거나 저온열원의 온도를 낮추어 온도차를 극대화할 때 향상된다는 원리에 따른다. 고온측에서 더 높은 온도로 열을 공급하거나 저온측에서 더 낮은 온도로 열을 방출하면 열기관의 이용 가능한 일 출력이 커지므로 효율이 좋아진다.
과열(superheat)은 보일러에서 생성한 포화증기를 추가로 가열하는 것을 의미하며, 과열은 터빈 입구의 증기 온도와 엔탈피를 높여 평균 열공급 온도를 증가시키므로 열효율을 향상시킨다. 또한 과열은 터빈 출구에서의 수분 함유량을 줄여 건도를 증가시키므로 터빈 날개의 부식이나 에로전 감소에 기여한다.
재열(reheat)은 팽창 도중 일부 팽창 후 다시 보일러로 되돌려 가열한 뒤 추가 팽창하는 방식으로 평균 열공급 온도를 올려 효율을 증대시킨다. 반면 응축기 압력의 상승, 즉 열방출 온도의 상승은 저온측 온도를 높이는 결과이므로 열효율을 낮추는 요인이 된다.
랭킨사이클 개선은 효율 향상과 터빈 건도 유지 사이에 균형을 필요로 한다. 예컨대 응축기 압력을 낮추어 효율을 높이면 팽창행정이 늘어나 터빈 출구의 건도가 낮아질 수 있어 부식 위험이 커지므로 설계 시 이러한 상충관계를 고려해야 한다.
문제 유형: '랭킨사이클에서 열효율을 개선하는 방안이 아닌 것을 고르라'는 문제가 주어지면 열효율 증가 원리를 '고온 ↑, 저온 ↓'로 단순화하여 판단한다. 제시된 선택지에서 과열기 설치, 열공급 온도 상승, 재열 도입 등은 고온 측 또는 평균 열공급 온도를 높이는 방법이므로 옳은 방법이다. 반면 열방출 온도 상승은 저온측을 높여 온도차를 줄이므로 열효율을 낮추는 것으로 판정한다.
운용 영향 판단: 과열을 실시하면 터빈 출구의 건도가 증가하여 액적에 의한 날개 부식 위험이 줄어드는 점을 확인한다. 따라서 과열이 터빈 건도를 감소시킨다는 보기는 틀린 설명으로 처리한다.
어떤 냉동기에서 0℃의 물로 0℃ 의 얼음 2 ton을 만드는데 180 MJ의 일이 소요된다면 이 냉동기의 성능계수는? (단, 물의 융해열은 334 KJ/kg 이다.)
정답 ④ · 냉동기의 성능계수를 구하는 문제로, 제거한 열량을 소요 일로 나누면 된다. 얼음 2 ton은 2000 kg이므로 제거해야 할 열량은 Q_L = 2000 kg × 334 kJ/kg = 668 MJ이다.
성능계수 COP는 제거한 열량(Q_L)을 소요 일(W)으로 나눈 값으로 약 3.71이 된다.
랭킨사이클의 열효율을 높이는 방법이 아닌 것은?
정답 ③ · 랭킨 사이클의 열효율 향상 방법이 아닌 것을 고르는 문제이다. 열효율은 평균 열공급 온도가 높을수록, 열방출 온도가 낮을수록 증가한다.
열효율은 고온열원 온도 상승과 저온열원 온도 하강 시 증가하므로, 열방출 온도 상승은 효율을 낮추는 요인이다.
어떤 냉동기에서 0℃의 얼음 2ton을 만드는데 50kWh의 일이 소요된다면 이 냉동기의 성능계수는? (단, 얼음의 융해잠열은 334.94kJ/kg이다.)
정답 ④ · 냉동기의 성능계수(COP)는 냉동효과()를 입력 일()로 나눈 값입니다. 먼저 2톤의 얼음을 0℃의 물에서 만들기 위해 필요한 열량은 입니다.
성능계수(COP)는 제거한 열량(Q_L)을 입력 일(W_in)로 나눈 값이며 단위 통일 후 계산한다.
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