개념 한 쪽
열역학적 장치 세트는 사이클을 개량하는 장치의 효과와 냉동사이클의 구성·성질을 함께 묻는다. 재생 사이클이 무엇을 줄이고 무엇을 바꾸지 않는지, 오토 사이클 효율에서 압축비를 역산하는 계산, 역카르노 냉동의 성능계수, 증기압축 냉동사이클의 구성품과 교축밸브 위치, 냉매 엔트로피가 줄어드는 구간이 한 묶음으로 나온다. 장치 이름과 그 장치가 하는 일을 짝으로 익혀야 한다.
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출제기준 단원 「열역학적 장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열효율 계산 | 1 | 순출력을 공급 열량으로 나눈 사이클 효율 |
| 구간 판별 | 1 | 냉매 엔트로피가 줄어드는 구간 고르기 |
| 압축기 일 계산 | 1 | 압력비를 넣은 압축기 소요 일 |
재생 사이클의 효과는 열량 감소로 정리한다. 랭킨 사이클을 터빈 입구 상태와 응축기 압력을 그대로 두고 재생 사이클로 바꾸면 터빈 일은 변하지 않고, 보일러 열량과 응축기 방열량이 줄어 열효율은 높아진다. 「터빈 일이 증가한다」는 틀린 설명이고 「보일러 열량이 감소한다」가 올바른 특징이다. 증기동력에서 카르노 대신 랭킨을 쓰는 이유는 습증기 압축이 기술적으로 어렵기 때문이며, 카르노 사이클은 두 등온과 두 단열의 가역 과정만으로 구성되어 교축팽창 같은 비가역 과정을 포함할 수 없다.
계산 응용은 공식을 뒤집는 것이다. 오토 사이클은 η = 1 − (1/ε)^(k−1)에서 효율 56.5%, 비열비 1.4가 주어지면 1 − η = 0.435 = 1/ε^0.4에서 ε^0.4 ≈ 2.3을 풀어 압축비 약 8.0을 역산한다. 브레이튼 사이클은 순 일출력 기준 η = (W터빈 − W압축기)/Q공급에 406·175·627 kJ/kg을 넣으면 약 36.8%가 된다.
냉동사이클은 성능계수와 구성품으로 갈린다. 역카르노 냉동사이클의 성능계수는 COP = TL/(TH − TL)이고, 응축기 40℃·증발기 −10℃면 263/50 = 5.26이다. 증발기에서 냉매는 열을 흡수해 엔탈피가 증가하며 압력은 일정하게 유지된다. 팽창은 등엔탈피 과정이고 성능계수는 1보다 훨씬 클 수 있으므로, 성능계수가 1 이하라고 적은 설명이 틀린다.
증기압축 냉동사이클의 구성품은 압축기·응축기·팽창밸브·증발기 넷이며 터빈은 들어가지 않는다. 교축밸브는 응축기와 증발기 사이에 두어 냉매를 감압하는 장치이므로, 압축기 근처에 설치해 배관 손실을 줄여야 한다는 설명은 위치와 목적을 뒤바꾼 것이다. 냉매의 엔트로피는 열을 방출하는 응축 과정에서 감소하고, 증발 과정에서는 증가한다.
출제 패턴은 다섯 가지다. ① 재생 효과 — 보일러 열량↓·방열량↓·효율↑·터빈 일 불변. ② 역산 — 오토 효율에서 압축비, 냉동 성능계수에서 온도 조건. ③ 구성품 — 증기압축 냉동에 터빈을 끼워 넣은 선지가 오답이다. ④ 교축밸브 위치 — 압축기 근처에 두어 배관 손실을 줄인다는 설명이 틀린다. ⑤ 엔트로피 — 냉매 엔트로피가 응축 과정에서 감소한다는 방향을 뒤집은 선지가 함정이다.
랭킨 사이클을 턴빈 입구 상태와 응축기 압력을 그대로 두고 재생사이클로 바꾸었다. 재생 사이클의 특징을 원래의 랭킨 사이클에 비교해서 말한 것 중 틀린 것은?
정답 ① · 재생 사이클을 랭킨 사이클과 비교하여 틀린 특징을 고르는 문제이다. 재생 사이클은 터빈 중간단에서 토출 증기의 일부를 추출하여 급수를 예열함으로써 보일러에서 가해야 할 열량이 줄어들고, 추출 증기가 응축기로 가지 않으므로 응축기의 방열량도 감소하며, 그 결과 열효율이 높아진다.
재생 사이클은 배기가스의 열을 보일러 입구 공기에 미리 가열하는 방식으로, 터빈 일은 동일 조건에서 변하지 않지만 보일러 열량과 방열량이 줄어 효율이 높아진다.
이상적 냉동사이클에서 응축기 온도가 40℃, 증발기 온도가 -10℃이면 성적계수는 얼마인가?
정답 ① · 이상적 냉동사이클(카르노 냉동사이클)의 성적계수(COP)는 저열원 온도(증발기 온도, TL)를 고열원 온도(응축기 온도, TH)와 저열원 온도의 차이로 나누어 계산합니다. 먼저 온도를 절대 온도(K)로 변환하면 TL = -10 + 273.15 = 263.15K, TH = 40 + 273.15 = 313.15K입니다.
이상 냉동사이클의 COP는 저온측 절대온도를 고온측과 저온측 온도차로 나눈 값이다.
냉애 R-134a를 사용하는 증기-압축 냉동사이클에서 냉애의 엔트로피가 감소하는 구간은 어디인가?
정답 ④ · 증기-압축 냉동사이클에서 냉매의 엔트로피가 감소하는 구간을 찾는 문제이다. 엔트로피 변화는 dS = dQ/T로 주어지므로 열을 방출하는 과정에서 엔트로피가 감소한다.
냉매의 엔트로피는 열을 방출하는 응축 과정에서 감소한다.
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