증기 동력 사이클

[주남식]

증기 동력 사이클

  물을 작동매체로 사용하는 열기관이 증발과정에서 열을 흡수하면, 응축과정을 통하여 열을 방출하며 그 사이에서 일을 하는 증기 동력 사이클(蒸氣動力∼ : Vapor Power Cycle)의 원형을 랜킨(Rankine) 사이클이라 부른다.  동력과 함께 열을 활용하는 경우는 열병합발전(熱倂合發電 : Cogeneration) 이라고 부른다.  이들 동력 사이클은 현대문명을 유지하는데 필수불가결한 전기동력을 생산하는 중요 수단이 되고 있다.  전세계적으로 1차 에너지의 25 % 이상이 전력생산에 쓰이고 있다. 
    동력생산을 위하여 이와 같이 대규모 에너지를 활용하고 있기 때문에, 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 세심한 주의를 기울이고 있다.  효율을 조금만 증가시켜도 커다란 경제적 이득을 가져오기 때문이다.  열역학 사이클의 관점에서는 재열 또는 재생의 방법으로 기본적인 수증기 랜킨 사이클의 효율을 크게 증가시키는 효과를 보았으며, 유체 사이클 또는 복합 사이클 등과 같이 물‧수증기 이외의 작동매체를 활용하는 방법도 활용되고 있다.  여기에서도 열의 효율적인 이용을 도모하기 위하여 열기관의 수열(受熱)은 고온에서, 방열(放熱)은 저온에서 하도록 하는 기본원칙을 적용한다.  
    대부분의 상업적인 동력사이클의 작동매체는 물·수증기이다.  물은 값이 싸고, 쉽게 구할 수 있으며, 무해하고, 증발잠열이 크기 때문에 열의 활용에 도움이 되는 등 여러가지 좋은 특징을 가지고 있다.  증기 동력 사이클의 열원을 어떻게 공급하는가에 따라 화력, 원자력으로 구분하며 화력은 연료의 종류에 따라 석탄화력, 유류화력, 가스화력 등으로 구분하기도 한다.

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포화증기 3상태에서 습증기 3상태까지 팽창하면서 일을 하는 가역‧단열 터빈을 운전하려면 응축된 액체방울이 터빈 날개의 표면을 때리면서 침식을 일으킨다.  실제 터빈을 만들어 본 경험에 의하면 수증기의 질이 90 % 이상 되어야만 침식효과를 크게 걱정하지 않아도 된다.  기체를 통과시키도록 설계된 터빈에 물방울이 생겨서는 곤란하다는 것은 물방울들이 바위를 깎아낸 폭포를 생각해 보면 너무 자명한 것이다.  (액체만을 통과시키는 수력 터빈에서는 갑자기 기체가 발생되면서 날개 표면을 파손시킬 수 있다.  배의 추진력을 얻기 위한 스크류가 경우에 따라 파손되는 캐비테이션 (cavitation) 현상이 이런 경우이다.)

터빈을 통과하면서 일을 한 증기는 온도와 압력이 낮아져서 4 상태의 습증기가 되어 응축기로 옮겨간다.  습증기의 질(質 : Quality)을 너무 낮지 않은 약 90 % 정도로 유지하면 터빈 날개의 침식을 방지할 수 있다.

응축기의 압력이 낮으면 효율은 상승한다.  예제 9-1의 29.2%에서 34.8 % 로 증가하였다.  카노 사이클 효율의 비도 열방출 온도가 낮아지면 증가한다.  그러나 상태점 4의 증기건도(質 : quality)가 88.4 %에서 82.5 %로 낮아진 것을 볼 수 있다.  터빈 출구 증기중에 수분 함량이 높아질 수록 터빈 블레이드의 침식에 대한 위험성이 높아진다.