개념 한 쪽
열역학 기초에서 비열, 단열과정, 상변화, 사이클 구성 등은 보일러 및 증기설비의 동작 원리를 이해하는 핵심이다. 정압·정적·등온·단열 등의 용어 정의와 가역 단열의 방정식, 랭킨 사이클의 공정 배열, 엑서지의 개념 등은 실무 문제 해결과 안전 관리를 위해 반드시 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「엔탈피, 엔트로피」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 비열 관계 판단 | 1 | 정압·정적 비열의 물리적 차이와 Cp>Cv 여부를 판단하는 능력 |
| 상변화 과정 분류 | 1 | 보일러의 증발 과정이 등온·정압인지 구분하는 문제 |
| 사이클 공정 배열 | 1 | 랭킨 사이클의 장치별 공정 순서와 성격을 올바르게 나열하는 능력 |
비열은 물질의 단위 질량당 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량을 의미한다. 기체의 경우 정압 비열(Cp)과 정적 비열(Cv)이 있는데, 정압 과정에서는 가열 시 부피 팽창에 따른 외부 일(팽창 일)이 발생하므로 같은 온도 상승을 위해 정압 비열이 정적 비열보다 항상 크다. 이상기체에서는 Cp = Cv + R 관계로 Cp가 Cv보다 큼을 확인할 수 있다.
상변화, 특히 보일러의 증발 과정은 보일러 내부 압력이 일정하게 유지되는 상태에서 온도가 일정하게 유지되며 액이 기체로 변하는 과정이므로 등온·정압 변화로 분류한다. 단열변화는 외부와의 열 교환이 없는 과정을 말하며 Q=0 조건을 만족한다. 정압·정적·등온은 각각 압력, 체적, 온도가 일정한 과정을 뜻하며 이들의 열교환 여부는 별도로 판단해야 한다.
가역 단열과정은 엔트로피 변화가 0인 이상적인 경우로, 상태 변수 사이에 단열방정식이 성립한다. 대표식은 PV^k = C이며, 이를 온도와 연결하면 TV^(k-1) = C 등의 형태로 쓸 수 있다. 여기서 k는 비열비(Cp/Cv)이다.
보일러나 증기터빈 시스템의 대표적 작동 사이클인 랭킨 사이클은 네 단계로 구성한다. 일반적인 배열은 펌프의 단열 압축, 보일러의 정압 가열, 터빈의 단열 팽창, 응축기의 정압 냉각 순서로 이루어진다. 복수기 압력이 낮아지면 터빈 출구의 증기 건도가 낮아져 수분 침식과 날개 부식 위험이 증가하므로 운전 조건과 응결 관리에 유의해야 한다.
엑서지는 주어진 고열원과 저열원(환경) 사이에서 실제로 일로 전환 가능한 유용한 에너지량을 뜻한다. 온도차가 클수록 엑서지는 커지고, 환경온도가 높을수록 엑서지는 작아진다.
1) 기체 문제에서는 섭씨로 직접 연산하지 말고 먼저 절대온도(K)로 변환한 뒤 연산하고 결과를 다시 섭씨로 환산하는 절차를 지킨다. 예를 들어 초기 27℃(300K)에서 일정 압력 하 부피를 2배로 하려면 절대온도를 2배(600K)로 만들어 결과 섭씨는 327℃가 된다.
2) 랭킨 사이클 관련 문제는 장치별 공정 특성을 매칭하여 기억한다. 펌프·터빈은 단열, 보일러·응축기는 정압이라는 매칭으로 순서를 외우면 실수가 줄어든다. 복수기 압력 변화는 열효율뿐 아니라 터빈 출구 건도와 기계적 손상 위험까지 고려해야 한다.
랭킨사이클에서 복수기의 압력이 낮아질 때의 현상으로 옳은 것은?
정답 ④ · 랭킨사이클에서 복수기의 압력이 낮아지면 터빈이 증기를 더 낮은 압력까지 팽창시키게 되므로 일반적으로 열효율은 증가하며, 복수기 내 포화온도는 하강합니다. 이때 증기가 터빈 내부에서 훨씬 더 까지 팽창하게 되면서 터빈 출구부의 건도가 크게 낮아지게 됩니다.
복수기 압력 저하는 터빈 출구 건도 저하를 유발하여 수분 침식 부식 문제를 일으킨다.
보일러에서 증발과정의 변화는?
정답 ② · 보일러에서 물이 증기로 변하는 증발 과정의 열역학적 변화를 묻는 문제이다. 포화상태에서의 상변화는 포화압력과 포화온도가 일정하게 유지되며 일정한 잠열을 흡수하기 때문에, 증발 과정은 압력과 온도가 모두 일정한 등온 정압변화가 된다.
보일러 증발 과정은 압력 유지와 온도 유지가 동시에 이루어지는 등온 정압 변화이다.
랭킨 사이클(Rankine cycle)의 작동과정을 옳게 나열한 것은?
정답 ② · 랭킨 사이클을 구성하는 네 과정의 순서를 묻는 문제이다. 랭킨 사이클은 펌프에서의 단열압축, 보일러에서의 정압가열, 터빈에서의 단열팽창, 응축기에서의 정압냉각 순으로 진행된다.
랭킨 사이클은 펌프(단열압축), 보일러(정압가열), 터빈(단열팽창), 응축기(정압냉각) 순으로 작동한다.
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