게시판 > 질답게시판 > 수증기 동력 플랜트와 카르노 사이클

스테파노 Stefano

20-04-01 20:32

A0) <수증기 동력 플랜트>와 <Carnot Cycle>은 다릅니다. 다를 뿐 만 아니라 전자는 <어느 유틸리티 공장>을 말하고 있고 후자는 <어떤 단위공정>을 말하고 있어서 서로 비교할 수 없는 속성들입니다. 전자는 시설 즉 Hardware를 언급하고 후자는 어떤 시스템의 원리를 언급하는 Software를 언급하고 있습니다. 비유적이 표현이 적당할 지 모르겠지만 이들 둘을 비교하는 것은 마치 <고구마>와 <삼투현상>을 비교하는 양상과 같은 양상이지요.

만일 어느 책에서 이들 둘을 서로 비교하고 있거나 이들 둘이 같다거나 다르다고 언급하고 있다면 잘못입니다.

굳이 비교하려면 전자의 원리를 적용하고 있는 <Rankin Cycle>과 <Carnot Cycle>을 비교해야 합니다. 질문의 의도가 바로 이들 둘을 서로 비교해 보는 것이라 간주하고 답변합니다.

A1) Rankine Cycle("RC")과 Carnot Cycle("CC")의 비교 (차이)

RC의 개념, 특징
1. Fluid의 Phase가 기상-액상의 상변화를 동반하는 Heat Engine임. (잠열 출입이 동반됨)
2. 열의 출입과정은 정압에서 일어남. (고압에서 액이 증발하면서 열을 흡수, 저압에서 증기가 응축되면서 열을 방출.)
3. 스팀엔진이나 냉동기, 스팀터빈, Heat Pump등 상용과정에서 사용되고 있는 싸이클.
4. 두 온도차에서 구동되는 열효율이 Carnot Cycle에 비해 낮음.

CC의 개념, 특징
1. Fluid의 Phase가 기상에서만 사용되는 Heat Engine임. (잠열 출입이 없음)
2. 열의 출입과정은 두개의 정온에서 일어남. (고온에서 저온으로 열을 방출할 때 일이 일어남)
3. 상용과정에서 사용되고 있지 않는 이론적인(가역과정으로 일어나는) 엔진 싸이클.
4. 두 온도차에서 구동되는 엔진중 효율이 가장 높음.

A2) TS-선도상의 차잇점

RC:
1. 기상-액상 영역이 포함되어 있고 열흡수는 고압(고온)에서 상변화로 일어나고 열방출은 저압(저온)에서 상변화로 일어남.
2. 싸이클: 액상(펌핑 저압--> 고압액상--> 승온(흡열)-->고압기상-->저압기상으로 팽창(동력 생산)-->저온(응축) 액상-->순환
3. 정온에서 열출입 과정에 의해 기상-액상 및 혼합상 영역이 존재

CC
1. 기상판 포함되어 있고 단열팽창, 단열압축등의 과정에 정온으로 유지되는 영역이 없음. 모든 과정이 가역과정
2. 싸이클: 단열 압축 (저온 저압->고온고압)-->정온 팽창(고압-->저압, 열흡수)-->단열 팽창(고압-->저압, 동력생산)--정온 압축(저압->고압, 동력흡수, 열방출)
3. 열출입은 정온 압축, 팽창과정에서 일어남

A3) Carnot Cycle는 기계적 마찰이나 압력손실등이 없는 이론적 과정이라서 무한이 느린 속도로만 가동되어야 할 것이고 동일 동력생산하기 위해 취급해야할 유체의 양이 아주 커지기 때문에 비록 효율은 높다고 하지만 실용적이지 못합니다.

이를 개선하기위해 (1) 열출입량을 늘여주기 위해 상변화가 일어나도록 기-액을 사용하도록 하고 (2) 추출 Work양을 늘이기 위하여 저온측에 응축기를 두어 Turbine 입-출구의 압력차를 늘여준 장치가 Rankine Cycle입니다.

만일 어느 책에서 이들 둘을 서로 비교하고 있거나 이들 둘이 같다거나 다르다고 언급하고 있다면 잘못입니다.

굳이 비교하려면 전자의 원리를 적용하고 있는 <Rankin Cycle>과 <Carnot Cycle>을 비교해야 합니다.   질문의 의도가 바로 이들 둘을 서로 비교해 보는 것이라 간주하고 답변합니다.

A1) Rankine Cycle("RC")과 Carnot Cycle("CC")의 비교 (차이)

RC의 개념, 특징
1.  Fluid의 Phase가 기상-액상의 상변화를 동반하는 Heat Engine임. (잠열 출입이 동반됨)
2.  열의 출입과정은 정압에서 일어남.  (고압에서 액이 증발하면서 열을 흡수, 저압에서 증기가 응축되면서 열을 방출.)
3.  스팀엔진이나 냉동기, 스팀터빈,  Heat Pump등 상용과정에서 사용되고 있는 싸이클.
4.  두 온도차에서 구동되는 열효율이 Carnot Cycle에 비해 낮음.

CC의 개념, 특징
1.  Fluid의 Phase가 기상에서만 사용되는 Heat Engine임. (잠열 출입이 없음)
2.  열의 출입과정은 두개의 정온에서 일어남.  (고온에서 저온으로 열을 방출할 때 일이 일어남)
3.  상용과정에서 사용되고 있지 않는 이론적인(가역과정으로 일어나는) 엔진 싸이클.
4.  두 온도차에서 구동되는 엔진중 효율이 가장 높음.

A2) TS-선도상의 차잇점

RC:  
1. 기상-액상 영역이 포함되어 있고 열흡수는 고압(고온)에서 상변화로 일어나고 열방출은 저압(저온)에서 상변화로 일어남.
2. 싸이클: 액상(펌핑 저압--> 고압액상--> 승온(흡열)-->고압기상-->저압기상으로 팽창(동력 생산)-->저온(응축) 액상-->순환
3. 정온에서 열출입 과정에 의해 기상-액상 및 혼합상 영역이 존재

CC
1. 기상판 포함되어 있고 단열팽창, 단열압축등의 과정에 정온으로 유지되는 영역이 없음. 모든 과정이 가역과정
2. 싸이클: 단열 압축 (저온 저압->고온고압)-->정온 팽창(고압-->저압, 열흡수)-->단열 팽창(고압-->저압, 동력생산)--정온 압축(저압->고압, 동력흡수, 열방출)
3. 열출입은 정온 압축, 팽창과정에서 일어남

A3) Carnot Cycle는 기계적 마찰이나 압력손실등이 없는 이론적 과정이라서 무한이 느린 속도로만 가동되어야 할 것이고 동일 동력생산하기 위해 취급해야할 유체의 양이 아주 커지기 때문에 비록 효율은 높다고 하지만 실용적이지 못합니다.

이를 개선하기위해 (1) 열출입량을 늘여주기 위해 상변화가 일어나도록 기-액을 사용하도록 하고 (2) 추출 Work양을 늘이기 위하여 저온측에 응축기를 두어 Turbine 입-출구의 압력차를 늘여준 장치가 Rankine Cycle입니다.

향상심 waterj

20-04-02 10:56

스테파노님! 감사합니다.
알려주신 답변 글을 종이로 출력해서 몇번이나 읽어봤습니다.
오래 전에도 궁금했던 질문에 답변 주셔서 큰 도움을 받았었는데
생각할 수록 정말 대단하시다는 생각밖에 들지 않습니다.

이런 질문은 네이버 지식iN이나 다른 Q&A 게시판에는 질문할 수가 없었습니다.
그런 곳은 인터넷에 돌아다니는 산발적인 데이터를 짜집기한 답변들이라 신뢰할 수도 없었고
정작 제가 원하는 답은 알려주지 않아서 그저 관련 책을 찾아보다가 고민하는 것에서 멈추었습니다.

인터넷 화학공학은 한동안 제 기억 속에서 잊혀졌었는데 답답한 마음에
갑자기 생각이 나서 들어와 봤는데 아이디도 살아있고 모든게 그대로였습니다.

뭐라고 말로 표현할 수 없을 정도로 모든 게 다 감사합니다!
어떤 분이신지 알 수 없지만 저같은 사람을 위해서라도 이 사이트가 계속 되길 바랍니다.
항상 건강조심하세요!

Stefano

20-04-02 23:39

과분한 칭찬이십니다. 단지 기본적인 사항만을 전달했을 뿐입니다.
상세한 내용은 열역학 수식을 이용하여 전개과정을 살펴봐야 정확한 개념을 이해할 수 있습니다.

모처럼이지만 다시 방문해 주셔서 감사합니다.