엑서지(Exergy) 개념과 열원설비 설계 방향

엑서지란 무엇인가

엑서지는 주어진 환경상태를 기준으로 가역 과정을 거쳐 얻을 수 있는 최대 유용일이다.

에너지는 양을 나타내고, 엑서지는 일로 바꿀 수 있는 능력, 즉 에너지의 질을 나타낸다.

에너지와 엑서지의 차이

에너지는 형태가 바뀌어도 총량이 보존되는 양이다.

엑서지는 비가역 과정에서 파괴되는 질이다. 그래서 총량만으로는 열원의 질 차이가 드러나지 않는다.

같은 열량이라도 온도가 높을수록 더 많은 일로 전환될 수 있다.

열의 엑서지 계산식

열의 엑서지는 열량 Q와 열원 온도 T, 환경온도 T0로 구한다.

열원 온도가 환경온도보다 높을수록 열량 중 엑서지 비율이 커진다.

비가역성 I는 환경온도 T0와 엔트로피 생성률의 곱으로 구한다.

계산 예제

예제로 같은 100 kW 열량의 엑서지를 두 경우로 계산한다.

열원 온도가 333 K에서 318 K로 낮아지면 엑서지는 약 18 kW에서 약 14 kW로 줄어든다.

저온 공급이 엑서지 입력을 줄이는 것을 확인할 수 있다.

직접 풀기

방금 본 식을 직접 적용해 보자.

열원 온도 333 K, 환경온도 273 K, 열량 100 kW의 엑서지를 구해 보자.

정답과 설계 원리

정답은 약 18 kW다. 100에 1 − 273/333 ≈ 0.18을 곱한 값이다.

엑서지 기반 설계는 온도 정합, 단계 이용, 비가역 억제의 세 원리로 정리된다.

열원 온도를 부하 온도에 맞추는 것이 핵심이다.

흔한 실수와 정리

가장 흔한 실수는 엑서지를 에너지와 같은 양으로 설명하는 것이다.

채점에서는 온도차 축소, 저엑서지 시스템, 단계이용 같은 온도 수준 항목을 본다.

정리하면 엑서지는 일로 바꿀 수 있는 최대량이고, 설계는 온도 수준을 맞추는 일이다.