랭킨 사이클: 증기로 돌아가는 발전소
세상 전기의 대부분은 물이 증기가 되었다가 다시 물로 돌아오는 하나의 고리에서 나온다. 랭킨 순환은 그 물을 보일러, 터빈, 복수기, 펌프에 차례로 보내며, 효율이 오르는 까닭은 바로 그 상의 변화에 있어요.
보일러가 열을 받아들이고, 터빈이 일을 내며, 복수기가 열을 버리고, 펌프가 액체를 다시 올려 보낸다. 석탄을 때든 원자로를 쓰든 햇빛을 모으든 바뀌는 것은 열원뿐이고, 물이 도는 고리 자체는 거의 그대로예요.
T-s 평면에서 순환은 포화 돔에 바싹 붙는다. T-s 그림에서 각 단계가 주고받은 열은 그 경로 아래 넓이로 나타나고, 닫힌 고리가 감싼 넓이는 알짜로 받은 열이 되며 한 바퀴에서는 그것이 곧 알짜 일과 같아요. 보일러 온도가 오르면 고리가 커지고 그 넓이, 곧 알짜 일도 함께 커진다.
알짜 일은 터빈이 낸 일에서 펌프가 쓴 일을 뺀 것이다. 펌프는 액체만 누르니 그 일이 아주 작아, 터빈이 낸 일의 거의 전부가 남아요. 액체는 거의 눌리지 않아 물을 높은 압력까지 밀어도 부피가 조금밖에 줄지 않고, 기체를 눌렀다면 터빈이 낸 일의 큰 몫을 도로 넣어야 했을 것이다.
증기를 돔 위로 더 데우는 과열은 열을 넣는 평균 온도를 높여 효율을 올리고, 터빈을 나가는 증기를 더 마르게 한다. 출구가 젖어 있으면 물방울이 빠르게 도는 날개를 때려 깎아 내는데, 증기를 마른 채로 두면 그 깎임을 막아 날개가 더 오래 가요.
장치는 넷이고, 효율은 η = WnetQH, 그리고 물을 쓰는 까닭은 상의 변화 덕에 거의 일정한 온도에서 열을 주고받으면서도 펌프가 드는 비용이 거의 없기 때문이에요. 다음은 상의 변화가 없는 기체 순환, 곧 오토와 디젤이다. 요즘 증기 발전소는 열의 40% 안팎을 전기로 바꾸고, 가스 터빈을 앞에 둔 복합 발전에서는 그 값이 60%를 넘어요.