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에너지관리기사 열관리 · 랭킨 사이클

Rankine Cycle

랭킨 사이클은 발전소 증기동력의 기본 사이클로, 물이 급수펌프에서 압력이 오르고, 보일러에서 열을 받아 증기가 되고, 터빈에서 일을 하고, 복수기에서 식어 다시 물이 되는 네 과정을 돈다. 보일러 압력과 과열도를 높이거나 복수기 압력을 낮추면 효율이 오르고, 액체를 누르는 펌프 일은 터빈 일보다 훨씬 작아 순일 대부분이 터빈에서 나온다. 그림은 T-s 선도 위 랭킨 사이클로, 칠한 넓이가 순일이고 효율은 순일을 공급열로 나눈 값이에요. 보일러 압력 · 복수기 압력 · 과열도 슬라이더를 옮기면 사이클 모양과 아래 칸의 터빈 일 · 펌프 일 · 열효율이 다시 계산돼요.

증기동력의 표준 사이클

발전소 증기동력의 기본 사이클이 랭킨 사이클이다. 물은 네 장치를 돌며 순환한다. 급수펌프로 압력을 올리고, 보일러에서 열을 받아 증기가 되고, 터빈에서 일을 하고, 복수기에서 식어 다시 물이 된다.

👀 네 과정과 이상 조건
①급수펌프는 단열 압축(등엔트로피)으로 일을 받는다
②보일러는 정압 가열로 열(qin)을 받는다
③터빈은 단열 팽창(등엔트로피)으로 일(wt)을 내요
④복수기는 정압 냉각으로 열(qout)을 버린다

세 조건을 바꾸면 효율이 움직인다

4000 kPa
10 kPa
120 K
⚡ 효율을 올리는 세 방향
①보일러 압력을 높이면 평균 가열온도가 올라 효율이 오른다
②과열도를 높이면(과열증기) 평균 가열온도가 올라 효율이 오른다
③복수기 압력을 낮추면(진공) 방출온도가 내려가 효율이 올라요
④다만 복수기 압력을 너무 낮추면 터빈 출구 습분이 늘어 날개가 깎인다

지금 조건의 사이클 계산 (근사)

터빈 일
wt = 960 kJ/kg
h3 - h4
펌프 일
wp = 4.0 kJ/kg
v·(Pb-Pc)
순일
wnet = 956 kJ/kg
wt - wp
열효율
η ≈ 34.4 %
wnet / qin
📏 펌프 일이 작은 까닭
①물(액체)은 비체적이 아주 작아 누르는 데 드는 일이 작다
②기체가 팽창하는 터빈 일은 펌프 일보다 수십 배 크다
③그래서 랭킨 사이클은 순일 대부분을 터빈에서 얻어요
④압축 일이 큰 가스 사이클(브레이턴)과 견주면 이 점이 랭킨 사이클의 장점이다

핵심 공식

열효율
η = wnetqin = (h3-h4)-(h2-h1)h3-h2
순일을 공급열로 나눈 값
펌프 일
wp = vf (Pb - Pc)
액체 비체적 vf ≈ 0.001 m³/kg
각 과정 에너지
qin=h3-h2, wt=h3-h4, qout=h4-h1
정상유동 에너지식을 적용

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①네 과정은 급수펌프(단열 압축) · 보일러(정압 가열) · 터빈(단열 팽창) · 복수기(정압 냉각)다
②열효율 η = (터빈 일 - 펌프 일) / 공급열 = wnet/qin
③보일러 압력과 과열도를 높이거나 복수기 압력을 낮추면(진공도를 높이면) 효율이 올라요
④펌프 일은 액체를 누르는 일이라 터빈 일에 비해 매우 작다
⑤복수기 압력을 낮추면 효율은 좋아지지만 터빈 출구 습도가 늘어난다
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] h3 = 3,450, h4 = 2,200, h2 = 195, h1 = 192 kJ/kg일 때 열효율은? (답: (3,450 - 2,200) - (195 - 192) = 1,247, 3,450 - 195 = 3,255, η = 1,247 / 3,255 ≒ 0.383 = 38.3%)
②[기출유형] 랭킨 사이클 효율을 높이는 방법 세 가지는? (답: 보일러 압력 상승, 과열온도 상승, 복수기 압력 강하)
③[기출유형] 펌프 일이 작은 까닭은? (답: 액체의 비체적이 작아 압축 일이 작다)

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