동력 사이클
챕터 7: 동력 사이클
동력 사이클은 열에너지를 일(Work)로 변환하여 유용한 출력을 얻는 열역학 사이클을 통칭합니다. 이 장에서는 동력 시스템의 개요를 간단히 살펴본 뒤, 실제 산업에서 널리 사용되는 랭킨 사이클, 브레이튼 사이클, 오토 사이클, 디젤 사이클, 그리고 사바테사이클을 순서대로 소개하겠습니다.
1. 동력 시스템의 개요
동력 시스템(Power System)은 연료(또는 기타 열원)의 화학적·열적 에너지를 기계적 일(회전력 등)로 변환하여 발전기나 구동 장치를 움직이는 구성을 갖습니다. 대표적으로 증기터빈, 가스터빈, 내연기관 등이 있으며, 이들은 각각 다른 열역학 사이클을 기반으로 동작합니다.
1.1 동력 사이클의 목적
- 고온 저장소(연소실 또는 보일러)에서 흡수한 열을 일로 최대한 전환
- 폐열 또는 저온 저장소(대기, 냉각수 등)로 버려지는 열을 최소화
- 높은 열효율을 위해 비가역 손실(마찰, 열 손실 등)을 줄이는 설계가 중요
2. 랭킨 사이클
랭킨 사이클(Rankine Cycle)은 증기동력 사이클로, 보일러에서 물을 증기로 만들고, 터빈을 돌려 기계적 일을 생산한 뒤 응축기를 통해 다시 물로 만드는 순환 과정을 말합니다.
2.1 사이클 구성 장치 및 과정
- 펌프(Pump): 응축기에서 나온 저압 상태의 물을 고압으로 압축합니다.
- (이상 유체 가정 시)
- 보일러(Boiler): 고압의 물을 가열해 포화증기(또는 과열증기)로 만듭니다.
- 여기서 흡수된 열 은 (엔탈피 변화)
- 터빈(Turbine): 고온·고압 증기가 팽창하면서 회전력을 생성합니다.
- 터빈에서 발생하는 일
- 응축기(Condenser): 터빈에서 배출된 저압 증기를 냉각해 다시 포화수(액체 상태)로 응축시킵니다.
- 응축 시 방출되는 열
2.2 P-V 선도와 T-s 선도
- P-V 선도: 보일러 구간(액체→증기)은 부피 변화가 상당히 크며, 터빈 팽창 구간에서는 압력과 부피가 동시에 변화.
- T-s 선도: 보일러 구간에서 온도가 상승하며, 터빈 구간에서 등엔트로피(이상적 가정 시) 팽창.
2.3 열효율 공식
랭킨 사이클은 증기 동력의 기초 사이클이며, 발전소 등에서 널리 사용됩니다. 터빈 내부의 비가역성, 펌프 및 보일러 효율, 응축기의 온도 차 등에 의해 실제 효율은 이론값보다 낮아집니다.
3. 브레이튼 사이클
브레이튼 사이클(Brayton Cycle)은 가스터빈 사이클로 알려져 있으며, 압축기에서 공기를 고압으로 압축하고 연소실에서 연료를 태워 고온·고압 가스를 만든 후, 터빈에서 팽창시켜 일을 생성하는 형태입니다.
3.1 사이클 구성
- 압축기(Compressor): 외부 공기를 흡입하여 고압으로 압축.
- 연소실(Combustor): 연료를 분사하여 고온 가스를 발생.
- 터빈(Turbine): 고온 가스가 팽창하면서 회전력을 생산.
- 배기가스 배출: 대기로 배출되거나, 회수장치를 통해 배출 온도를 낮출 수 있음.
3.2 P-V와 T-s 선도
- P-V 선도: 등압(또는 근사 등압) 연소 과정, 단열 압축 및 팽창 과정이 주요 특징
- T-s 선도: 압축 및 팽창 시 엔트로피 변화가 발생 (비가역성 고려)
3.3 열효율
이상적인 브레이튼 사이클에서 연소 과정을 등압으로 가정하면, 열효율은 압축비(r)에 의해 결정됩니다.
- : 비열비
- = (압축비)
실제 가스터빈에서는 연소실의 온도 제한, 터빈 냉각, 공정 비가역성 등으로 이상 사이클에 비해 효율이 낮습니다.
4. 오토 사이클
오토 사이클(Otto Cycle)은 가솔린 기관(가솔린 내연기관)의 이상적 사이클로, 다음의 4단계로 구성됩니다.
- 단열 압축(피스톤 상향)
- 정적 가열(연소): 부피가 거의 일정하다고 가정하고, 열을 공급
- 단열 팽창(피스톤 하강, 동력 행정)
- 정적 냉각(배기): 부피가 거의 일정하다고 가정하고, 열을 방출
4.1 P-V 선도 및 T-s 선도
- P-V 선도에서, 정적 가열 및 냉각 구간은 수직선(부피가 일정)
- T-s 선도에서는 압축 및 팽창이 단열이므로 엔트로피 변화가 발생하지 않는 이상적 선
4.2 열효율
- : 압축비()
압축비가 커질수록 효율이 높아지지만, 노킹 등의 문제로 실제 엔진에서 무조건 큰 압축비를 사용할 수는 없습니다.
5. 디젤 사이클
디젤 사이클( Diesel Cycle )은 디젤 엔진의 이상화 사이클로, 연소 과정이 정압 과정(등압)으로 모델링된다는 점에서 오토 사이클과 다릅니다.
5.1 과정 개요
- 단열 압축(피스톤 상향)
- 정압 가열(연소): 일정한 압력에서 연료 분사, 열 공급
- 단열 팽창(피스톤 하강)
- 정적 냉각(배기 과정): 부피 일정 조건에서 배기가스가 열을 방출한다고 가정
5.2 P-V 선도 및 T-s 선도
- 정압 연소 구간이 존재하여 오토 사이클과 구분됨
5.3 열효율
- : 압축비
- : 컷오프 비(cut-off ratio), 즉 정압 연소 동안의 부피 증가 비율
디젤 사이클은 압축비가 높아 점화 플러그 없이도 공기 온도가 충분히 높아져 연료가 자연 발화됩니다.
6. 사바테 사이클
사바테(Sabathé) 사이클은 오토 사이클과 디젤 사이클의 혼합형으로, 첫 부분은 정적 가열, 이후 정압 가열 과정을 거칩니다. 이를 듀얼 사이클(Dual Cycle) 이라고도 합니다.
6.1 과정 개요
- 단열 압축
- 정적 가열(일부 열이 부피 일정에서 공급)
- 정압 가열(나머지 열이 압력 일정에서 공급)
- 단열 팽창
- 정적 냉각
6.2 P-V 선도와 T-s 선도
- 정적 가열 + 정압 가열이 결합되어 있어, P-V 선도에서 연소 구간이 두 단계로 나타남.
6.3 열효율
- : 압축비
- : 정압 가열 구간에서 부피 증가 비율
- : 정적 가열 구간에서 공급되는 열량 비율(관련 파라미터)
사바테 사이클은 이론적으로 오토와 디젤의 장점을 절충하는 것으로 알려져 있으며, 실제로도 듀얼 연소 방식을 사용하는 엔진에서 근접하게 구현됩니다.
7. 결론
이번 장에서는 동력 사이클을 전반적으로 살펴보았습니다. 랭킨 사이클을 통해 증기동력의 기본 구조(펌프, 보일러, 터빈, 응축기)를 학습했고, 가스터빈의 브레이튼 사이클, 내연기관의 오토·디젤·사바테 사이클로 이어지는 주요 열역학 사이클들을 소개했습니다. 각각의 사이클마다 P-V 선도와 T-s 선도를 통해 공정 변화를 이해하고, 열효율 공식을 통해 에너지 전환 효율을 정량적으로 평가할 수 있음을 확인했습니다.
열역학 사이클은 에너지 변환 과정을 체계적으로 파악하고 개선하는 데 핵심적인 도구입니다. 실제 산업 현장에서는 사이클에 따른 장치 설계와 운전 조건 최적화를 통해 에너지 효율을 높이고, 환경 부하를 낮추는 방향으로 나아가고 있습니다. 다음 장에서는 이러한 동력사이클과 대비되는 냉동 사이클에 대해 살펴볼 예정입니다.