전기공사기사 열역학의 개요 — 카르노 사이클과 고위·저위발열량

열사이클의 효율을 높이려면 같은 연료로 더 많은 일을 하게 만드는 장치를 쓴다. 연소열을 여러 번 재사용하거나 증기의 온도와 압력을 더 높이고, 폐열을 회수하는 장치가 효율을 높인다. 반면 속도를 제어하는 조속기는 출력 제어와 안정화에는 쓰이지만 사이클 효율을 직접 높이는 장치는 아니다. 그래서 효율 향상 방법이 아닌 것을 고르는 문제에서는 조속기가 답이 된다.

화력발전소에서 쓰는 열사이클 가운데 열효율이 가장 좋은 것은 재생과 재열을 함께 쓰는 사이클이다. 재생은 보일러에 들어가는 급수를 미리 데워 효율을 높이고, 재열은 증기를 다시 가열해 효율을 높인다. 두 방법을 함께 쓰면 각각을 따로 쓸 때보다 효율이 좋아진다.

카르노 사이클의 이론 열효율은 고온과 저온의 절대온도 비율로 결정된다. 섭씨 온도를 켈빈으로 바꾼 뒤 1에서 저온을 고온으로 나눈 값을 빼면 된다. 재료의 예처럼 고온원 540도, 저온원 30도가 주어지면 두 온도를 절대온도로 바꾸어 비율을 만든다.

발열량은 연소할 때 생기는 수증기의 응축 잠열을 어떻게 보느냐로 두 가지가 된다. 수증기가 모두 응축해 잠열까지 회수한다고 가정한 값이 고위발열량이고, 수증기가 응축하지 않고 굴뚝으로 그대로 배출된다고 가정한 값이 저위발열량이다. 화력발전 보일러의 열효율 산정에는 실제로 저위발열량을 기준으로 쓴다.

재열 사이클에서 재열기가 가열하는 것은 증기다. 터빈에서 일부 팽창한 증기를 다시 고온으로 데워 효율을 높이기 때문이다. 압력 단위를 바꾸는 문제도 나온다. 과열기 출구의 증기압을 kgf/cm²에서 atm으로 바꿀 때는 약 0.968을 곱한다. 종합효율은 설비가 한 시간 동안 만든 전기량을 그 시간에 들어간 연료 열량으로 나누어 구하고, 필요한 석탄량은 전기량을 kcal로 바꾼 뒤 발전 효율로 나누고 석탄의 발열량으로 나누어 구한다.