Rankine 사이클에 대하여 설명해보세요.

[랭킨사이클(Rankine cycle)]

2개의 단열과정과 2개의 등압과정으로 구성되는 사이클 중, 작동유체가 증기와 액체의 상변화를 수반하는 것. 증기 사이클, 베이퍼 사이클이라고도 한다. 내연기관이나 가스터빈 같이 작동유체가 사이클 중 항상 가스 상태인 것은 가스 사이클이라고 하여 이것과 구별하고 있다.

증기 발전소에서는 급수펌프(단열압축), 보일러 및 과열기(등압가열), 터빈(단열팽창) 및 복수기(등압방열)의 각 요소에 의해 랭킨사이클이 실현되고 있다. 또한 열효율의 향상 등을 위해 재생사이클이나 재열사이클로 하는 경우가 많다.

가솔린 자동차의 배기가스 규제에 의해, 랭킨사이클 기관을 탑재한 자동차가 저공해차로서 주목을 끌고 있다. 이것은 증기자동차 기술에 최근의 내연기관이나 가스터빈 등의 기술을 조합한 것이다. 그러나 연료소비가 가솔린 자동차에 비해 많다는 것, 물을 사용할 때 한랭으로 인한 동결이 나타난다는 것 및 승용차로서 사용 조건에 맞는 제어가 곤란하다는 것 등이 해결해야 할 문제점으로, 이들의 해결 여하가 랭킨사이클 기관, 그리고 새로운 증기자동차의 장래를 결정하게 될 것이다.

증기 사이클 중 가장 기본적인 사이클로서 기준 사이클이라고도 한다. 물은 급수 펌프로 단열 압축되어 보일러에 들어가고, 일정한 압력하에서 가열되어 과열증기가 되며, 증기 터빈에 공급되어 단열 팽창에 의해서 일을 한다. 팽창된 습증기는 복수기에서 일정한 압력하에 냉각되며, 복수하여 급수 펌프로 돌아간다. 실제로 사용할 때는 열효율을 더 높이기 위해서 여기에 개량을 가한 재생 사이클이나 재열 사이클이 많이 이용되고 있다.

3 → 4 단열압축(=등엔트로피)

[포화수 - 압축수]

4 → 1 정압가열

[압축수 -> 과열증기]

1 → 2 단열팽찰 (= 등엔트로피)

[과열증기 -> 습증기]

2 → 3 정압방열

[습증기 - 포화수]

[랭킨사이클 선도]

(1) P-V 선도

(2) T-S 선도

[랭킨사이클 활용]

(1) 재열사이클

동력생산을 목적으로 운전되는 랜킨 사이클에서는 효율증진과 함께 발생 동력의 최대화가 중요한 관심사항이다. 사이클의 열효율과 직접 연관이 있는 최고 작동온도는 재료특성 등에 의해 제한을 받고 있다. 열효율과는 별도로 생산동력을 늘일 목적으로 재열(再熱 : reheat)의 방법이 널리 쓰이고 있다. 즉, 터빈의 팽창과정 도중에서 보일러로 보내 다시 가열하여 저압 터빈으로 통과시키면 보일러에서 추가로 투입된 열량의 상당한 부분을 터빈의 동력으로 변환하게 된다.

재열은 사이클 작동 최고 온도(터빈 입구)를 높이는 등 최선의 선택을 한 뒤 추가적인 효율 증진 방안으로 적용되고 있다. 재열의 또 한 가지 커다란 이점으로 동일한 터빈 입구온도에서, 최종 저압까지 팽창시키면서 일을 할 때 재열을 하지 않을 때에 비교하여 재열을 함으로 터빈 출구에서의 건도를 높일 수 있다.

앞서 거론한 바와 같이 터빈 출구 측에서는 약간의 습기를 포함한 습증기 상태까지 팽창시키기는 하지만 응축수 입자의 터빈 날개 침식효과 때문에 약 90% 이상으로 건도를 유지하여야만 한다. 따라서 재열을 함으로서 터빈 출구 최종단에서 건도를 높이는 (즉, 습도를 낮추는) 것은 커다란 이득이 된다. 그러나 응축기에서의 열 방출이 늘어나므로 응축기 장치를 크게 만들어야 하는 추가의 부담이 뒤따른다.

2회를 초과하여 재열하는 것도 현실적이지 못하다. 터빈 출구에서의 증기 조건이 증기 돔 밖으로 나가 과열증기가 되면 열방출의 평균온도가 높아질 뿐 아니라 증기의 비체적이 크기 때문에 터빈 출구 부위의 증기 속도가 빨라지게 되어 바람직하지 않다. 그러나 보일러의 작동 압력이 높아질수록 출구에서의 건도를 유지하기 위한 재열의 필요성이 크게 나타난다.

(2) 재생사이클

랭킨 사이클을 적용하여 대규모 동력장치를 만들면서 고려하게 된 추가 개선점은 재생의 방식이다. 재생(再生 : regeneration)의 기본원리는 터빈을 통과하는 증기의 일부분을 동력생산이 아니라 보일러의 열 입력을 줄이는 가열목적으로 활용하는 것이다. 이 경우 일의 출력은 감소하며 보일러에서의 열 입력도 감소하여 그 결과 약간의 효율 상승효과가 있다. 정량적인 효율의 상승은 증기 사이클의 특성에 대한 보다 세밀한 계산을 통하여 확인하여야 한다.

열 입력은 고온에서 할수록 효율이 높아진다는 사실을 기억할 때 펌프를 나와 보일러에 들어오는 급수의 온도를 높게 해 준다면 사이클 열효율에 보탬이 될 것이라는 것으로부터 쉽게 연상할 수 있다. 즉 보일러에서 열 입력을 받는 도중의 온도가 낮은 때보다는 높을 경우가 열효율이 높아진다는 사실로부터 효율상승의 가능성을 기대할 수 있다.

터빈을 통과하는 증기는 10여개의 단계별 터빈 날개군을 지나면서 차츰 압력이 떨어진다. 이들 도중의 적절한 단에서 증기를 꺼내어 급수의 가열용으로 쓰게 된다. 이것을 증기의 추기(steam bleeding) 라고 부르며 이 고온의 증기를 급수가열(feedwater heating) 및 탈기(deaeration)의 목적으로 활용한다.

급수가열기는 대표적인 열교환기로서 일정한 시간 내에 가열을 달성하여야 한다. 그에 따라 가열기의 크기를 줄이기 위해서는 어느 정도 온도차를 유지하여야 한다. 이때 비가역성에 따른 손실과 열교환기 장치의 경제성을 주의 깊게 결정하여야만 한다. 급수가열의 또 한 가지 기능은 탈기 즉 물속에 포함될 수 있는 공기를 빼내는 일이다. 물 안에 포함된 공기는 보일러의 수관벽면을 부식시키는 등 원하지 않는 효과를 나타내게 되므로 가능한 한 모두 제거해 주어야 한다. 이와 같은 목적으로 개방형 열교환기에서 증기와 급수를 직접 접촉시키면서 탈기의 효과를 얻어낸다.

추기의 또 다른 효과는 터빈의 최종단으로 흐르는 증기의 유량을 줄일 수 있다는 것이다. 이것은 언뜻 보아 출력을 감소시키며 효율도 떨어뜨릴 것으로 예측할 수 있다. 그러나 터빈 끝단으로 가까워지면서 압력이 낮아지면 비체적이 매우 커진다. 기체의 비체적이 크면 동일 질량 유동량을 비슷한 속도로 통과시키려면 유동 통로의 면적이 커져야만 한다. 즉 터빈 날개의 크기가 끝단으로 갈수록 커지는 결과가 된다. 이에 따라 터빈 끝단의 증기유량을 감소시키면 출력의 저하를 가져오지만 터빈을 값싸게 만들 수 있게 되어 주의 깊은 경제성 비교를 하여야 한다.

급수가열기는 크게 나누어 증기를 급수와 혼합함으로 가열하는 개방형 급수 가열기(open feedwater heater)와 급수가 가열되는 한편 증기는 응축시킨 뒤 급수와 혼합하는 폐쇄형 급수 가열기(closed feedwater heater) 로 구분된다.