랭킨사이클(Rankine Cycle)? 증기사이클이란?
증기 사이클은 액화가 끝난 물이 다시 수조에 저장되었다가 펌프로 들어가는 과정을 계속 반복하는 사이클입니다. 증기 사이클에는 랭킨 사이클, 재열 사이클, 재생 사이클, 재열-재생 사이클, 2유체 사이클 등이 있습니다.
랭킨 사이클은 증기 원동소의 이상 사이클입니다. 랭킨 사이클의 작동 유체는 보일러에서 가역적이며 등온적으로 가열되고, 터빈에서 등엔트로피적으로 팽창되며, 응축기에서 가역적이며 등온적으로 응축됩니다. 그리고 압축기에 의하여 등엔트로피적으로 압축되어 초기상태로 되돌아갑니다.
랭킨 사이클은 많은 물질들이 작동 유체로 사용될 수 있지만, 물은 보통 간단한 화학적 특성, 상대적으로 풍부함, 낮은 비용, 그리고 열역학적 특성 때문에 선택됩니다.
랭킨사이클(Rankine Cycle)
랭킨 사이클은 증기 기관의 기본적인 열역학 기초로, 증기와 액체 사이의 상변화를 이용해 압축과정과 팽창과정의 비체적의 차이를 최대로 하는 사이클입니다. 랭킨 사이클은 등온과정이었던 카르노 사이클과 달리 등압과정을 사용합니다.
랭킨사이클의 특징
압축과정과 팽창과정의 비체적의 차이를 최대로 하기 위하여 증기와 액체 사이의 상변화를 이용합니다.
아래는 랭킨사이클의 특징 8가지입니다.
| 랭킨 사이클의 특징 | 설명 |
|---|---|
| 1. 대기로 배출하던 미활용 에너지 사용 | 환경오염 감소에 기여 |
| 2. 폐회로에서 작동하는 시스템 | 이산화탄소와 같은 대기오염 물질 발생하지 않음 |
| 3. 두 단계의 단열과정과 두 단계의 등압과정 구성 | 효율적인 열역학적 사이클 구조 |
| 4. 기체와 액체의 상변화가 일어나는 작동유체 | 다른 기관들과 차별화되는 주요 특징 |
| 5. 단열구간에서 열에너지 교환 없음, 엔트로피 변화 없음 | 에너지 효율성을 높이는데 기여 |
| 6. 엔탈피 감소 | 계가 일을 하고 있음을 의미 |
| 7. 압력과 온도가 일정한 상태에서 체적·엔탈피·엔트로피 감소 | 열역학적 과정의 특징 |
| 8. 등압과정이 등온과정보다 제어하기 쉽다 | 시스템의 제어 및 운영의 장점 |
랭킨사이클 과정
랭킨 사이클은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정으로, 대부분의 증기 발전소와 열기관에서 사용됩니다. 랭킨 사이클은 두 단계의 단열과정과 두 단계의 등압과정으로 구성되며, 기체와 액체의 상변화를 합니다.
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 가역단열압축 | 엔트로피 상승, 온도 감소 |
| 등압팽창 | 엔트로피 일정 유지, 온도 상승 |
| 가역단열팽창 | 엔트로피 감소, 온도 상승 |
| 등압압축 | 엔트로피 일정 유지, 온도 감소 |
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 증발 | 물이 증기로 변환됨 |
| 팽창/작업 | 증기가 터빈을 통해 팽창하며 작업을 수행함 |
| 응축 | 증기가 냉각되어 물로 응축됨 |
| 압축 | 물이 다시 보일러로 이송되며 압축됨 |
랭킨 사이클은 전력을 생산할 수 있으며, 수에즈막스 유조선에 적용 시, 정상 운항 시 필요한 전력의 59~69%를 ORC 생산 전력으로 대체하여 운항 중 연료 소모량을 절감시킬 수 있습니다.
랭킨 사이클은 일반적으로 0.06bar ~ 50bar 사이의 압력에서 작동합니다.
랭킨사이클의 구성
랭킨사이클은 펌프, 증발기, 터빈, 응축기로 구성됩니다.
| 구성 요소 | 설명 |
|---|---|
| 펌프 | 압축된 물을 보일러로 펌핑함 |
| 증발기 | 물을 증기로 변환함 |
| 터빈 | 증기의 팽창으로 작업을 수행함 |
| 응축기 | 증기를 냉각하여 물로 응축함 |
랭킨사이클 효율을 높이는 방법
랭킨 사이클의 열효율은 초온, 초압을 증가시킬수록 높아집니다. 하지만 열효율을 높이기 위해 초온, 초압을 높게하면 터빈에서 팽창 중인 증기의 건도가 저하되어 터빈 날개를 부식시킵니다.
| 방법 | 설명 |
|---|---|
| 냉단 손실 줄이기 | 열 교환기를 개선하여 냉각 손실을 감소시킴 |
| 응축기 압력 낮추기 | 응축기 압력을 감소시켜 열 효율을 향상시킴 |
| 사이클 최고 온도 높이기 | 열 효율을 높이기 위해 사이클 내 최고 온도를 증가시킴 |
| 열 공급/방출 온도 조절 | 공급되는 열의 온도를 높이거나 방출되는 열의 온도를 낮춤 |
| Main steam temperature 높이기 | Main steam 또는 Reheat steam의 온도를 증가시켜 열 효율 향상 |
| 열 방출 온도 낮추기 | 열 교환기 등을 통해 열 방출 온도를 감소시켜 열 효율을 향상 |
랭킨사이클의 장단점
| 구분 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 1 | 대기오염 물질이 0%입니다. | 효율이 낮습니다. |
| 2 | 자동차의 내연기관 냉각시스템이나 연소가스로부터 소비되는 열원을 재사용할 수 있습니다. | 발전용량이 100KW~5MW로 소규모 발전입니다. |
| 3 | 고성능의 가스터빈엔진과 유기랭킨사이클의 조합은 같은 성능의 가스터빈과 일반적인 랭킨사이클의 조합에 비해 약 3% 정도 우수한 성능을 보입니다. | 터빈에 인가되는 증기의 낮은 온도에 의해 이점이 상쇄됩니다. |
| 4 | 물은 간단한 화학적 특성, 상대적으로 풍부함, 낮은 비용, 그리고 열역학적 특성 때문에 작동 유체로 선택됩니다. |
마무리
오늘은 랭킨사이클(Rankine Cycle)의 특징 8가지와 장단점에 대해 알아보았습니다.
랭킨 사이클은 열기관의 작동 원리 중 하나로, 주로 발전소에서 발전기를 구동하기 위해 사용되는 중요한 열역학적 사이클입니다. 이 사이클의 가장 큰 특징은 대기로 배출하던 미활용 에너지를 재사용함으로써 환경오염을 줄이고, 폐회로에서 작동하여 대기오염 물질을 전혀 발생시키지 않는다는 점입니다.
사이클의 구성이 두 단계의 단열과정과 두 단계의 등압과정으로 이루어져 있어, 열역학적 효율성을 극대화할 수 있으며, 기체와 액체의 상변화를 통해 작동유체의 상태를 변화시키는 과정이 포함되어 있습니다.
장점으로는 대기오염 물질의 배출이 없고, 자동차의 내연기관 냉각시스템이나 연소가스에서 발생하는 열을 재사용할 수 있다는 점, 고성능 가스터빈엔진과의 조합으로 효율성을 더욱 높일 수 있다는 점, 그리고 물과 같은 풍부하고 저렴한 작동유체를 사용할 수 있다는 점 등을 들 수 있습니다. 이러한 특징들은 랭킨 사이클을 매우 유용하고 환경 친화적인 열역학적 사이클로 만들어 줍니다.
하지만, 랭킨 사이클은 낮은 열역학적 효율과 소규모 발전 용량, 그리고 터빈에 인가되는 증기의 낮은 온도로 인해 이점이 상쇄되는 단점도 가지고 있습니다. 이러한 단점들은 사이클의 설계와 운용에 있어 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.