랭킨 사이클(증기동력 사이클)

핵심 정리

랭킨 사이클은 물과 수증기의 상변화를 이용하는 증기동력장치의 이상 사이클이다. 랭킨 사이클은 열을 일로 바꾸는 과정을 이상화하여 해석하고 설계하는 모델이며, 증기 기관의 기본적인 열역학 기초가 된다. 작동 유체는 일반적으로 물이고, 열은 외부의 닫힌 루프에서 공급된다. 압축 과정과 팽창 과정의 비체적 차이를 크게 하기 위해 증기와 액체 사이의 상변화를 이용한다는 점이 이 사이클의 핵심 요건이다. 상변화 이용이 핵심 요건

장치의 흐름은 보일러에서 시작한다. 보일러는 고압의 증기를 만드는 장치이다. 급수펌프가 보낸 물은 보일러에서 등압 가열되어 증기가 되고, 이 고압의 증기는 증기터빈에서 팽창하며 일을 한다. 팽창한 증기를 응축해 물로 만드는 장치는 복수기이다. 급수펌프는 냉각된 물을 보일러에 공급한다. 이 장치들이 순환을 이루는 것이 랭킨 사이클의 기본 구조이다.

실제 기계에는 마찰, 열손실, 불완전 연소 같은 비가역성이 있어 해석이 복잡하다. 그래서 해석과 설계에서는 가정과 이상화를 적용한 이상 사이클을 기준으로 삼고, 실제 장치를 이 기준과 비교한다. 이상 사이클은 마찰과 열손실을 무시하므로 실제 효율과 차이가 날 수 있다. 랭킨 사이클은 증기 터빈 발전의 이상 모델이므로, 계산 결과도 실제 발전 장치의 효율과 차이가 날 수 있다는 전제에서 읽어야 한다.

효율은 열이 공급되는 평균 온도와 열이 방출되는 평균 온도를 기준으로 살펴보면 편리하다. 열이 공급되는 평균 온도가 올라가거나 열이 방출되는 평균 온도가 내려가면 랭킨 사이클의 효율이 올라간다. 공급↑·방출↓ → 효율↑

랭킨 사이클은 화력 발전소뿐 아니라 태양열 발전, 바이오매스 발전, 원자력 발전소 등에서 쓰이는 증기 발전의 틀이다. 열원은 석탄이나 천연가스 같은 화석 연료의 연소, 핵분열, 바이오매스, 집중된 태양 에너지 등 다양하지만, 열을 일로 바꾸는 구조는 같다. 기출 선지는 이 틀 안에서 장치의 역할과 효율 조건을 묻는다.

자세히

구성요소와 포함 관계

구성요소를 묻는 선지는 어떤 부품이 보일러에 속하는지를 확인한다. 과열기는 보일러의 주요 구성요소이다. 과열기는 보일러에서 만든 증기를 포화 상태 이상으로 한 번 더 데워 터빈에 들어가는 증기의 상태를 높이는 부품이다. 반면 실린더 블록은 보일러의 구성요소가 아니다. 실린더 블록은 왕복 기관의 몸체를 이루는 부품이므로, 증기를 만드는 보일러에 속한다고 보면 틀린 선지가 된다.

복수기의 작동도 같은 계열의 물음으로 나온다. 복수기는 증기와 냉각수 사이에서 열을 교환해 수증기를 응축하고 물로 바꾸는 열교환기이다. 냉각수가 증기의 열을 가져가므로, 복수기는 증기에 일을 시키는 장치가 아니라 열을 방출하는 장치이다. 복수기와 증기터빈은 위치와 역할이 반대로 제시되기 쉬우므로 장치 쌍으로 묶어 기억해야 한다.

카르노·오토·디젤과의 구분

이 사이클들은 모두 이상 사이클이지만 작동 유체와 과정의 성질이 다르므로 한 물음에 섞어 쓰면 틀린다. 아래 표는 선지를 구분할 기준을 보여 준다.