[기초역학] 랭킨 사이클, 카르노 사이클 개념 및 비교

[기초역학] 랭킨사이클, 카르노 사이클 개념 및 비교

오늘은 열역학의 가장 기초인 랭킨 사이클과, 카르노 사이클에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

사실 기계공학도라면, 가장 기본이 되는 과목이 열역학 이지만, 저는 열역학이 너무나 실었습니다.ㅠㅠ

아래의 내용으로 도움이 되셨으면 합니다.

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랭킨 사이클: 실용적인 발전 시스템

랭킨 사이클은 증기 발전 시스템에서 가장 널리 사용되는 사이클로, 주로 물을 작동 유체로 사용합니다. 이 사이클은 실제로 구현 가능한 모델로, 네 가지 주요 단계로 구성됩니다: 1. 펌프 압축 (Pump Compression): 저압 상태의 물을 고압 상태로 압축합니다.

2. 보일러 가열 (Boiler Heating): 고압의 물을 가열하여 증기로 변환합니다.

3. 터빈 팽창 (Turbine Expansion): 고온 고압의 증기가 터빈을 돌리며 에너지를 생산합니다.

4. 응축기 냉각 (Condenser Cooling): 사용된 증기를 냉각하여 다시 물로 변환합니다.

랭킨 사이클은 다음 그래프로 시각화됩니다:

이 사이클의 열효율은 다음과 같이 계산됩니다:

η=WnetQin\eta = \frac{W_{net}}{Q_{in}}

여기서 WnetW_{net}은 터빈에서 발생한 일에서 펌프에 사용된 일을 뺀 값이고, QinQ_{in}은 보일러에서 흡수한 열량입니다.

적용 예시: 화력발전소, 원자력발전소, 지열발전소 등에서 랭킨 사이클이 활용됩니다.

카르노 사이클과 랭킨 사이클의 차이점

특징 카르노 사이클 랭킨 사이클

효율 가장 이상적, 최대 효율 실제 효율은 낮지만 구현 가능

과정 이상적인 가역 과정으로 구성 비가역적인 실용 과정으로 구성

적용 가능성 이론적 모델, 실제 기계 구현 불가 발전소 등 실생활에서 널리 사용 작동 유체 이상 기체 주로 물 또는 유사한 유체

[랭킨사이클]

[카르노 사이클]

카르노 사이클: 이상적인 열기관

카르노 사이클은 1824년 사디 카르노(Sadi Carnot)에 의해 제안된 열기관의 이론적 모델입니다. 이 사이클은 엔트로피와 열효율의 개념을 기반으로 만들어졌으며, 네 가지의 이상적인 가역 과정으로 구성됩니다: 1. 등온 팽창 (Isothermal Expansion): 고온의 열원에서 열을 흡수하며 온도는 일정하게 유지됩니다.

2. 단열 팽창 (Adiabatic Expansion): 열을 흡수하지 않고 온도가 낮아지며 팽창이 진행됩니다.

3. 등온 압축 (Isothermal Compression): 저온의 열원으로 열을 방출하며 온도는 일정하게 유지됩니다.

4. 단열 압축 (Adiabatic Compression): 열을 방출하지 않고 온도가 다시 높아집니다.

카르노 사이클의 열효율은 다음 공식으로 계산됩니다:

η=1−TLTH\eta = 1 - \frac{T_L}{T_H}

여기서 THT_H와 TLT_L은 각각 고온 열원과 저온 열원의 온도를 나타냅니다. 이론적으로, 카르노 사이클은 가장 높은 열효율을 가지지만 실제로 구현하기는 불가능합니다.

적용 예시: 카르노 사이클은 이론적 모델로만 존재하며, 실제 기계보다는 열역학의 기본 원리를 이해하는 데 사용됩니다.

 

결론

카르노 사이클은 열역학의 원리를 탐구하는 데 있어 필수적인 이론적 도구이며, 랭킨 사이클은 이를 기반으로 실제 발전 시스템에 적용한 실용적인 사이클입니다. 이 두 사이클은 각기 다른 목적으로 활용되지만, 모두 열역학의 기본 원리를 이해하고 활용하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 사이클의 이해는 더 효율적이고 지속 가능한 에너지 시스템 개발로 이어질 것입니다.