랭킨 사이클: 증기로 돌아가는 발전소
세상 전기의 대부분은 물이 증기로 바뀌었다 다시 돌아오는 하나의 고리에서 나와요. 랭킨 사이클은 물을 보일러·터빈·복수기·펌프 네 장치에 차례로 통과시키는데, 효율을 높이는 비결은 바로 그 상변화에 있습니다.
위상을 끌어 물을 따라 고리를 돌아 보세요. 보일러가 열을 넣고, 터빈이 일을 내고, 복수기가 열을 버리고, 펌프가 액체를 되돌려 보냅니다. 석탄을 때든 원자로를 쓰든 햇빛을 모으든 열원만 바꾸면 되고, 물이 도는 이 고리 자체는 거의 똑같이 유지돼요.
T-s 평면에서 사이클은 포화 돔에 바싹 붙어요. T-s 그림에서는 각 단계에 주고받은 열이 그 경로 아래 넓이로 나타나서, 닫힌 고리가 감싼 넓이는 알짜 흡열량이 되고 한 순환에서는 그것이 곧 알짜 일과 같아요. 보일러 온도를 끌면 고리가 커지고, 그것이 감싼 넓이, 곧 알짜 일도 함께 커집니다.
알짜 일은 터빈 일에서 펌프 일을 뺀 거예요. 펌프는 액체만 누르니 그 일이 아주 작아, 터빈이 낸 일의 거의 전부가 남습니다. 액체는 거의 압축되지 않아 물을 높은 압력까지 밀어도 부피가 조금밖에 안 줄어서 드는 일이 미미한데, 만약 기체를 압축해야 했다면 터빈 출력의 큰 몫을 되먹어야 했을 거예요. 보일러 압력을 끌어 보세요.
증기를 돔 위로 더 데우는 과열은 열을 넣는 평균 온도를 높여 효율을 올리고, 터빈 출구를 더 마르게 해 줘요. 출구가 젖어 있으면 물방울이 빠르게 도는 터빈 날개를 때려 깎아 내는데, 증기를 마르게 유지하면 이 침식을 막아 날개 수명을 늘려요. 포화와 과열을 바꿔 보세요.
세 가지를 챙기세요. 장치는 넷, 효율은 η = WnetQH, 그리고 물을 쓰는 이유는 상변화 덕에 거의 일정한 온도에서 열을 주고받으면서도 펌프 비용이 거의 없기 때문이에요. 다음은 상변화 없는 기체 사이클, 오토와 디젤입니다. 현대 증기 발전소는 열의 40% 안팎을 전기로 바꾸고, 여기에 가스 터빈을 앞세운 복합화력에서는 그 값이 60%를 넘어요.