1.1.2 열효율 (1) [원자력기사]

1.1.2    열효율 (1)

---

1) 열효율

 

열효율은 기관에 공급된 열이 유효한 일로 바뀐 정도를 나타내는 비율을 뜻한다. 

열역학 제2법칙에서 계(System)에 흡수한 열로 순환 과정을 하면서 흡수한 열과 같은 양의 일을 하는 것은 불가능하다. 

즉 100%열을 흡수해서 흡수한 열을 100% 운동으로 바꾸는 것은 불가능하다. 

그림 1.1.2-1에서 보는 바와 같이 발생된 고온의 열원(Q1)은 열기관에 의해 일부 는 일에너지(W)로 사용되고, 일부 에너지(Q2)는 사용되지 않고 버려진다. 

다르게 이야기 하면, 고온인 온도 T1에서 열 Q1이 나와서 그중 일부가 일(W)로 변하고 나머지 열 Q2가 온도 T2인 저온 열원으로 손실된다. 

따라서 고열원에서 나온 열량에 비해서 저열원으로 배출된 열량이 적을수록 열기관의 효율이 높아진다.

그림 1.1.2-1 열기관

 

열기관은 열을 일로 변환시키기 위한 특별한 장치를 말하며, 내연기관, 증기터빈, 증기기관 등이 있다. 열효율(e)은 열기관이 수행한일(W)를 열기관이 공급받은 에너지(Q1)로 나눈 값이다.

 

그리고 열기관은 고온의 열원의 에너지(Q1)를 전달받아 일부 에너지를 손실(Q2)되고 나머지는 역학적인 일은 수행한다. 

이러한 열기관의 열효율을 간단하게 수식화하면 식 1.1.2-1과 같다.

        (식 1.1.2-1)

 

원자력발전소에서는 원자로에서 생성된 열에너지가 100% 전기에너지로 바뀌지 않고 중간 과정에 손실이 발생하여 약 30% 정도가 전기 에너지로 변환된다. 

이때 열에너지가 전기에너지로 전환되는 비율을 열효율이라고 한다. 

원자력발전소에서 발생되는 열출력은 MWt로 표현되며, 전기출력은 MWe으로 표현된다.

 

원자력발전소에서 열역학을 직접 적용할 수 있는 대표적인 설비는 증기발생기(Steam Generator)이다. 

증기발생기는 노심에서 발생된 열을 흡수하여 일부는 터빈으로 보내 일에너지를 이용하여 전기를 생성하고 일부는 저온의 물로 변환시켜 다시 증기발생기로 주입된다. 

따라서 열역학은 증기발생기와 연결하여 생각할 수 있어야 한다. 증기발생기에 관한 설명은 4.1절에서 다룰 예정이다.

예제 1 (2014년 원자력기사 기출)

다음 중 열역학 제2법칙과 관련된 설명이 아닌 것은?

① 저온에서 고온으로 열을 전달하기 위해서는 열기관이 필요하다.

② 랭킨사이클에서 총 에너지는 보존된다.

③ 가역인 발전소에 열침원 온도가 일정한 경우 열생성원의 온도가 낮을수록 열효율은 낮아진다.

④ 폐열이 없는 발전소를 만드는 것은 불가능하다.

정답) ②

① 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 이동하며, 엔트로피를 감소하기 위해서는 특별한 장치(열기관)이 필요하다.

② 에너지 보존법칙은 열역학 제1법칙이다.

③ 가역이란 ‘물질의 상태가 한번 바뀐 다음 다시 본디 상태로 돌아갈 수 있는 것’을 말한다. 그리고 가역기관은 어떤 순환과정을 어느 방향으로 진행시키더라도 외부에 전형 영향을 주지 않고 원상태로 되돌아가는 기관을 말한다. 여기에서는 마찰력 등 영향을 받지 않고 물, 증기상태로 계속 변화되는 가역인 발전소를 말하고 있다. 그리고 열침원이란 ‘열을 에너지를 흡수하는 저장조인 열제거원(Heat Sink)’를 말한다. 이는 원자력발전소의 노심에서 발생된 열을 흡수하는 장치 혹은 물질을 말한다.

따라서 보기를 다시 읽어보면, 저온인 열제거원의 온도는 항상 일정하게 유지한 상태에서, 고온으로 생성되는 열의 온도가 낮아지면 열효율이 낮아지는가? 라고 묻고 있다.

열효율의 식 1.1.2-1에서 보면 열효율은 1-(Q2/Q1)이다. Q1은 고온인 상태를 말하며, Q2는 저온인 상태를 말한다. 따라서 Q1의 온도가가 점점 낮아지게 되면, (Q2/Q1)의 값은 점점 커지게 되고, 열효율을 뜻하는 1-(Q2/Q1)의 값은 결과적으로 작아지게 된다. 따라서 열생성원의 온도가 낮을수록 열효율은 감소하게 된다.

④ 열역학 제2법칙은 폐열이 없는 발전소 즉, 발생된 열을 100% 활용할 수 있는 계(System)은 없음을 설명한다.