개념 한 쪽
동력사이클 세트는 사이클별 특징과 효율 계산이 축이다. 카르노는 두 등온+두 단열의 가역 사이클이고 실제 증기동력에는 습증기 압축이 어려운 랭킨 사이클을 쓰며, 브레이튼 효율은 η=(W터빈−W압축기)/Q공급, 오토 효율은 η=1−(1/ε)^(k−1)이다. 열병합발전 정의도 같은 세트에 나온다.
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출제기준 단원 「동력사이클」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 요구조건 판별 | 1 | 냉매가 갖춰야 할 조건에서 부적당한 것 고르기 |
| 사이클 특징 선택 | 1 | 재생 과정으로 열효율을 올릴 수 있는 사이클 |
| 성능계수 계산 | 1 | 공기 냉동기의 흡열과 일로 성능계수 구하기 |
사이클 구성부터 구분한다. 카르노 사이클은 두 등온 과정과 두 단열 과정으로 구성되며 모든 과정이 가역적이어야 한다 — 교축팽창은 밸브를 통한 비가역 과정이라 엔트로피가 증가하므로 카르노 사이클에는 포함될 수 없다. 증기동력시스템에서 카르노 대신 랭킨(팽킨) 사이클을 택하는 주된 이유는 카르노의 습증기 압축이 기술적으로 어렵기 때문이다. 열병합발전(CHP)은 전기와 열(스팀)을 동시에 생산하는 시스템이다 — 가스터빈 배기가스의 폐열로 증기를 만들어 터빈을 돌리거나 공정 열원으로 쓰는 식으로 「폐열=자원」을 실현해 전체 에너지 효율을 높인다.
효율 계산은 사이클별 공식 하나씩이다. 브레이튼(가스터빈) 열효율은 순 일출력을 공급 열량으로 나눈 η=(W터빈−W압축기)/Q공급 — 압축기 일 175 kJ/kg·공급 열량 627 kJ/kg·터빈 일 406 kJ/kg이면 (406−175)/627≈0.368, 약 36.8%다. 오토 사이클은 압축비와 비열비만으로 η=1−(1/ε)^(k−1) — 압축비 7.5·k=1.4면 (1/7.5)^0.4≈0.447이라 약 55.3%다. 효율 정의 역산도 같은 세트에 나온다 — 효율 30% 증기동력 사이클에서 1 kW 출력을 얻으려면 열입력은 1/0.3≈3.33 kW다. 냉동사이클과 겹치는 문항으로는 증발기에서 냉매는 저온·저압에서 증발하며 열을 흡수해 엔탈피가 증가하고(압력은 일정), 성적계수는 COP=(h1−h4)/(h2−h1)=(229−81)/(255−229)≈5.7처럼 얼리는 열을 압축 일로 나눠 구한다.
출제 패턴은 세 가지다. ① 사이클 판별 — 카르노=가역 4단계(교축 제외), 랭킨 채택 이유=습증기 압축 회피, 열병합=전기+열 동시 생산. ② 공식 대입 — 브레이튼은 순 일출력 기준, 오토는 압축비만으로. ③ 함정 — 터빈 일을 그대로 효율 분자에 넣은 값(압축기 일 미차감), 교축팽창을 카르노 과정으로 적은 선지, 열병합을 「폐열 버림」으로 적은 선지가 단골 오답이다.
열병항발전시스템에 대한 설명으로 올바른 것은?
정답 ① · 열병합발전시스템의 정의를 고르는 문제이다. 열병합발전(CHP)은 증기 동력 시스템에서 발전과 동시에 공정용이나 난방용 스팀을 함께 생산하여 전체 에너지 이용 효율을 높이는 시스템이다.
열병합발전(CHP)은 전기 생산과 함께 폐열을 유용하게 활용하는 시스템을 의미한다.
증기동력시스템에서 이상적인 사이클로 카르노사이글을 택하지 않고 팽킨사이클을 택한 주된 이유로 가장 적합한 것은?
정답 ③ · 증기동력시스템에서 카르노 사이클 대신 랭킨 사이클을 채택한 이유를 묻는 문제이다. 카르노 사이클은 이론적으로 가능하지만 습증기 상태의 수증기와 액체 혼합물을 펌프로 압축하는 과정에서 기술적으로 큰 난관이 있다.
카르노 사이클은 습증기 압축이 기술적으로 어려워 실제 증기동력계에서는 랭킨 사이클을 사용한다.
공기 표준 Brayton 사이클로 작동하는 이상적인 가스터빈이 있다. 이 터빈의 압축기로 0.1 MPa, 300 k의 공기가 들어가서 0.5 MPa로 압축된다. 이 과정에서 175kJ/kg의 일이 소요된다. 열교관기를 통해 627kJ/kg의 열이 들어가 공기를 1100 K로 가열한다. 이 공기가 터빈을 통과하면서 406kJ/kg의 일을 얻는다. 이 시스템의 열효율은?
정답 ② · Brayton 사이클로 작동하는 가스터빈의 열효율을 구하는 문제이다. 열효율은 순 일출력을 공급 열량으로 나눈 값으로 정의된다.
Brayton 사이클 열효율은 순 일출력을 공급 열량으로 나눈 값이며, 순 일출력은 터빈 일에서 압축기 일을 뺀 값이다.
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