랭킨사이클이 카르노사이클보다 효율이 낮은 이유

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랭킨사이클이 카르노사이클보다 효율이 낮은 이유

Rankine cycle의 효율이 Carnot 효율에 도달하지 못하는 이유는

1. 열원 및 열침(냉각원)과 작동매체가 열전달을 하기 위해서는 열원 및 냉각원과 작동매체의 온도차이가 어느정도 있어야 하기 때문에, 열원과 열침의 온도로 계산하는 Carnot 효율에는 미치지 못한다. 

2. 사이클의 고온부와 저온부에서 일정한 고온과 저온을 유지하는 작동하는 열기관을 구성하는 것이 현실적으로 어렵기 때문이다.  

 

T-s다이어그램에서 면적은 사이클이 외부로 한 일이니깐, 그 사이클의 면적을 구하면 두 사이클의 효율을 비교할 수 있다. 밑변은 엔트로피 차이는 동일하지만, 높이인 온도를 살펴보면 랭킨사이클의 고온부(a-d과정의 평균온도)가 카르노사이클의 고온부(T_1)보다 낮으므로, 랭킨사이클의 일이 카르노사이클의 일보다 작은 것이다.

좀 더 자세히 설명하면, 

카르노(Carnot) 사이클이 하는 일은 Ts다이어그램에서 f-g-d-e 과정으로 사각형 면적에 비해

랭킨(Rankine) 사이클의 하늘 일은 f-a-b-c-d-e 과정으로 빨간 빗금과 노란 빗금 친 만큼 작다. 

빨간 빗금은 랭킨 사이클의 a-b과정의 평균온도가 카르노 사이클보다 증발온도가 낮기 때문에 발생한 손실이다. 

만약 카르노사이클이 위 그림과 같이 f-g-d-e 과정이 아니라, f-a'-b-c-e'-f 과정이라고 해보자. 

그리고 랭킨사이클은 f-a-b-c-e'-f 과정이라고 하고 비교해 보면, 왼쪽편 빨간 빗금친 부분이 랭킨 사이클이 한 일이 카르노 사이클에 비해 작다. 그 이유는 바로 a-b과정의 평균온도가 a'-b과정의 평균온도보다 낮기 때문이다.  

노란 빗금은 터빈입구온도을 올려야하는 현실적 문제점 때문에 발생한 손실이다. 

랭킨사이클에서 터빈입구 온도(d)를 낮춰 c점에서 바로 단열팽창을 하여 f-a-b-c-e'-f 과정으로 만들면 그나마 카르노 사이클과 비슷해 질 수 있다.

하지만 그렇게 되면 유체가 액상(liquid)이 포함되어, 빠른 속도로 회전하는 터빈에 부딪치면서 터빈을 손상시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 터빈입구 온도(d)를 올려서 단열팽창 후에도 터빈출구의 작동유체 상태(e)가 기상(vapor)으로 존재할 수 있도록 한다. 때문에 노란 빗금 면적만큼 손실이 발생한다. 

터빈입구 온도(d)를 상승시키는 또 다른 이유는 터빈 전후단에서 비체적 차이를 크게하여 터빈의 효율을 올리기 위함이다. 

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2015. 11. 24 작성

2016. 10. 15 추가작성