개념 한 쪽
에너지관리기사 가스동력의 비교 — 사이클과 압축일
가스동력 사이클은 열을 넣는 방식과 압축을 나누는 방식에 따라 성능이 갈린다. 오토와 브레이튼의 차이, 다단 압축에서 중간냉각기를 쓰는 이유, 평균유효압력으로 사이클 일을 구하는 법, 노즐의 열낙차를 속도로 환산하는 법을 비교한다.
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뜻
오토 사이클은 비열비가 일정할 때 열효율이 압축비만으로 결정되는 사이클이고, 브레이튼 사이클은 압축–연소–팽창–배기로 이어지는 가스터빈의 이상 사이클이다. 같은 가스동력이라도 열을 넣는 자리와 팽창 방식이 다르므로 효율을 좌우하는 변수도 달라진다.
압축을 여러 단으로 나누고 중간냉각기를 넣으면 압축 과정이 등온압축에 가까워져 압축기에 드는 일이 줄어든다. 단단 압축보다 일이 적게 드는 방향으로 만드는 것이 중간냉각의 목적이다.
가솔린 엔진의 사이클 일은 평균유효압력과 행정체적으로 구한다. 평균유효압력 5kgf/cm², 행정체적 2000cc라면 5×2000=10,000 kgf·cm=100 kgf·m이고, 427로 나누면 약 0.23kcal다. 이 문항은 0.25kcal로 근사한 값을 답으로 본다.
노즐에서 속도를 얻으려면 그만큼 엔탈피가 떨어져야 한다. 300m/s를 얻는 데 필요한 열낙차는 Δh=v²/(2gJ)=300²/(2×9.8×427)≈10.8 kcal/kg이다. 등엔트로피 압축에서는 T₂/T₁=(P₂/P₁)^((k−1)/k)로 온도를 먼저 구하고 ΔU=mCvΔT를 적용한다.
예제
선지 판단은 오토와 브레이튼을 각각 압축비 결정 사이클과 가스터빈 사이클로 가르는지, 중간냉각기의 목적을 압축일 감소로 보는지, 평균유효압력×행정체적을 427로 환산하는지, 노즐 열낙차를 v²/(2gJ)로 구하는지에서 갈린다. 100 kgf·m를 427로 나눈 약 0.23kcal(문항 근사 0.25kcal)와 10.8 kcal/kg이 그 예다. 중간냉각기가 압축일을 늘린다고 본 선지, 열낙차를 속도에 비례한다고 본 선지는 어긋난다.
자주 묻는 물음
- 중간냉각기를 쓰는 이유는 무엇인가요?
- 다단 압축을 등온압축에 가깝게 만들어 압축기의 일을 줄이기 위해서입니다.
- 평균유효압력으로 사이클 일을 어떻게 구하나요?
- 평균유효압력×행정체적으로 구한 뒤 427로 나눕니다. 5kgf/cm²×2000cc=100 kgf·m이므로 약 0.23kcal이고, 이 문항은 0.25kcal로 근사합니다.
- 300m/s를 얻는 데 필요한 열낙차는 얼마인가요?
- Δh=v²/(2gJ)=300²/(2×9.8×427)≈10.8 kcal/kg입니다.
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