공조냉동기계기사(4)

가스 동력 사이클

 가스동력 사이클을 공부하기에 앞서 카르노 사이클을 다시 한번 보겠다. 이상기체로 작동하는 Carnot cycle은 2개의 등온 과정과 2개의 단열 과정으로 이루어진 효율이 가장 좋은 사이클로 열기관의 이상 사이클이며, 실제 제작은 불가능하다. 즉, 이론으로만 존재하는 완벽한 사이클이라는 것이다. 카르노라는 사람이 전쟁에서 죽었는데, 그의 주머니에서 나온 아이디어가 바로 열역학에 매우 중요한 사이클이 된 카르노 사이클이다.

 

오토 사이클

 오토 사이클은 가솔린기관의 이상 사이클로서 일정한 체적 하에서 열공급과 방출이 행해지므로 정적 사이클이라고 한다. 오토 사이클의 열효율은 압축비와 비열비의 함수이다. 또한 오토 사이클의 열효율은 압축비와 비열비가 클수록 높아진다. 사이클에서 열효율을 따지는 이유는 결국 사이클은 이론으로만 존재하는 것이 아니라 현실에서 기계들을 설계할 때나 동작시킬 때 가장 중요한 파라미터 중 하나이기에 열효율을 계산하는 방식과 어떤 식으로 열효율이 높아지고 낮아지는 지를 고민할 필요가 있다.

 

디젤 사이클

 디젤 사이클은 압축착화기관 사이클로서 2개의 단열 과정과 1개의 정압 과정, 1개의 정적 과정으로 이루어진 사이클이다. 정압 하에서 가열이 이루어지므로 정압 사이클이라고도 하며, 저속 디젤기관의 기본 사이클이다. 디젤 사이클의 열효율은 압축비와 체절비, 비열비의 함수이다. 또한 디젤 사이클의 열효율은 압축비가 클수록 높아지고 체절비가 클수록 감소한다. 디젤 기관에서는 압축비를 아무리 높여도 노킹 현상의 염려가 없으므로 가솔린 기관보다 더 높일 수 있으나 실용상으로 13~20 정도에서 주로 사용한다.

 

사바테 사이클

 사바테 사이클은 2개의 단열과정, 2개의 정적 과정, 1개의 정압 과정으로 구성된 사이클로 정적 정압 사이클로서, 2중 연소 사이클이라고도 하며, 고속 디젤기관의 기본 사이클이다. 사바테 사이클의 열효율은 압축비, 압력비, 체절비, 비열비의 함수이다. 또한 사바테 사이클의 열효율은 압축비와 압력비가 클수록 높아지고 체절비가 클수록 감소한다.

 

가스 터빈 사이클

 먼저, 브레이튼 사이클이 있다. 브레이튼 사이클은 2개의 단열과정과 2개의 정압 과정으로 이루어진 가스 터빈의 이상 사이클이다. 브레이튼 사이클의 열효율은 압력비만의 함수이다.

 그 다음으로 에릭슨 사이클이 있다. 에릭슨 사이클은 2개의 등온 과정과 2개의 정압 과정으로 구성된 가스 터빈의 이상 사이클이며, 실현이 곤란한 사이클이다(브레이튼 사이클의 단열 과정을 등온 과정으로 바꿔놓은 사이클이다.)

 스털링 사이클은 2개의 등온과정과 2개의 정적 과정으로 구성되어 있으며 체적 변화를 최소로 유지할 수 있다. 역 스털링 사이클은 헬륨을 냉매로 하는 극저온용 가스 냉동기의 기본 사이클이 된다.

 아트킨슨 사이클은 가스터빈의 이상 사이클로서 정적 가스터빈 사이클이라고도 하며, 2개의 단열 과정과 1개의 정적 과정, 1개의 정압 과정으로 이루어져 있다.

 마지막으로 르노아 사이클은 펄스 제트 추진 계통의 사이클과 비슷한 사이클로서 동작 물질의 압축과정 없이 정적 하에서 가열된 후 기체가 팽창하며 일을 하고 정압 하에서 방열한다. 1개의 단열 과정과 1개의 정압 과정, 1개의 정적 과정으로 이루어진 사이클이다.