열기관 시스템 : 랭킨사이클

오늘은 시스템에 대해 기본적으로 알아야 하는 이론 중 열역학 개념을 조금 알아보겠습니다.

혹시 과학을 공부했다면 한번쯤은 카르노사이클이라는 말을 들어보셨을 겁니다. 이상적인 열기관 사이클이죠. 이 카르노사이클은 일이 최대의 효율을 내더라도 100%의 효율을 낼 수 없다는 것을 말해줍니다. 그래서 무한한 동력을 내는 기관은 이론적으로 불가능하게 됩니다.
이 카르노 사이클은 단열이라는 과정과 가역이라는 과정으로 이루어집니다.

간단하게 설명하자면 단열은 계로부터 열이 외부로 나가지 않는 것을 말합니다. 여기서 말하는 계는 무엇이냐면 우리가 기준으로 하는 공간을 말합니다. 원자력발전소를 기준으로 냉각수 순환 계통이 하나의 계를 이루게 됩니다.

그리고 가역과정은 반응전의 상태인 처음 상태로 되돌릴 수 있는 과정을 말합니다. 하지만, 자연계에서는 이과정은 매우 힘듭니다. 반응이 생기면 엔트로피는 증가하게 됩니다. 그래서 엔트로피의 증가를 막기 위해 주변 환경과 평형상태를 이루며 과정이 이루어져야 합니다.
여기서 단열과 가역이라는 방식으로 카르노 사이클은 가역 등온과정 -> 단열팽창 -> 가역 등온압축 -> 단열 압축이라는 과정을 거치게 됩니다.
하지만 이러한 과정을 거치기에는 현실적으로 불가능한 점이 있습니다. 현실에서는 완벽한 단열, 등온변화는 불가능하기 때문입니다. 특히, 단열압축과정은 물과 증기가 혼합이된 상태의 물을 가압해야 하는데 이는 어렵기 때문이죠.

그래서 현실적으로 더 효율적인 열기관을 고안하게 됩니다. 이 열기관이 바로 랭킨사이클입니다.
랭킨사이클은 등온과정이었던 카르노 사이클과 달리 등압과정을 사용합니다.
나머지는 비슷합니다. 가역단열압축 -> 등압팽창 -> 가역단열팽창-> 등압압축의 과정으로 진행이 됩니다.
등압으로 바꾸면서 생기는 장점은 등온보다 제어하기 쉽다는 장점이 있고 안전관리 측면에서도 장점이 있습니다. 그리고 가역의 경우는 실제적으로는 가역으로 일어나지 않고 비가역으로 진행이 됩니다. 하지만 이 과정들을 순식간에 이루어내면 가역과정과 비슷하게 순환이 됩니다. 반응이 일어나는 시간보다 빠르게 진행되었기 때문입니다.

이 랭킨사이클을 TS선도라는 그래프를 통해서 분석하겠습니다. 이 TS선도는 가로는 엔트로피 세로는 온도를 나타냅니다. 그래프로 나타내면 아래 그림과 같습니다.

이 그림에서 종모양의 선은 물의 포화증기선입니다. 포화증기란 증기지만 조그마한 영향으로 바로 액체로 돌아가는 정도의 상태를 말합니다.
이선을 제외한 도형을 보아주시기를 바랍니다. 그리고 내부에 색칠을 한다고 생각해봅시다.
이 내부의 넓이는 열기관이 하는 일의 총량입니다. 왜냐하면 엔트로피는 전체온도로 들어온 열량을 나눠주는 값이기 때문에 온도와 곱한값은 일이 되게 됩니다.

자 이제 본론입니다. 이 넓이가 넓어지려면 우리는 어떻게 해야 할까요?
가로가 길어지거나 세로가 길어지거나 해야 합니다.
그러기 위해서 증기압력을 증가시켜 끓는 온도를 올리는 방법이 있습니다.

또한 같은 압력에서 증기를 더 고온으로 과열시키는 방법도 있습니다.

마지막으로는 복수기의 압력을 낮추어 세로가 길어지게 하는 방법도 있습니다.

하지만 이러한 방법들중 증기의 압력을 높이면 터빈의 수명이 빨리 줄어들기 때문에 재열사이클을 사용하게 됩니다.

나중에 자세히 설명하겠습니다.

또한 복수기 저압으로 인한 저압터빈의 증기함유량 증가에 대한 부담을 위한 재생사이클도 존재합니다.

이것 또한 나중에 자세히 설명하겠습니다.

---

결론을 말씀드리자면 이 랭킨사이클을 기반으로 원자력발전소의 증기사이클이 작동을 하며 열효율을 증가시키기 위한 여러 장비가 추가된다는 것입니다.
앞으로 원자력발전소에 대해서 더 자세히 설명할 예정인데
앞서 소개한 포스팅에서 전체적인 작동 메커니즘은 소개를 하였습니다.
그렇기에 다음시간부터 우선 원자로에 대해서 조금더 자세히 살펴보고 그다음 냉각시스템과 여러 시스템들에 대해서 천천히 알아가도록 하겠습니다.

---

 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”