에릭슨 사이클

에릭슨 사이클은 다양한 열역학 사이클을 기반으로 많은 독특한 열엔진을 설계하고 만든 발명가 존 에릭슨의 이름을 따서 명명되었다. 그는 두 가지 독특한 열 엔진 사이클을 발명하고 이러한 사이클을 기반으로 실용적인 엔진을 개발한 공로를 인정받고 있다. 그의 첫 번째 사이클은 이제 닫힌 브레이튼 사이클로 알려진 반면, 그의 두 번째 사이클은 현재 에릭슨 사이클이라고 불리는 것이다. 에릭슨은 오픈 사이클 엔진을 만든 몇 안 되는 사람 중 한 명이지만 폐쇄 사이클 엔진도 만들었다.^[1][2]

이상적인 에릭슨 사이클

다음은 이상적인 에릭슨 사이클의 4단계 사이에 발생하는 4가지 프로세스의 목록이다.

• 프로세스 1 -> 2: 등온 압축 압축 공간은 중간 냉각된 것으로 가정하여 가스는 등온 압축을 거친다. 압축 공기는 일정한 압력으로 저장 탱크로 흐른다. 이상적인 사이클에서는 탱크 벽을 가로지르는 열 전달이 없다.
• 프로세스 2 -> 3: 등가열 추가 탱크에서 압축된 공기가 재생기를 통해 흐르고 가열된 동력실린더로 가는 도중에 높은 일정한 압력으로 열을 흡수한다.
• 프로세스 3 -> 4: 등온 팽창 동력실린더 팽창공간은 외부로 가열되고 가스는 등온팽창을 거친다.
• 프로세스 4 -> 1: 등심 열 제거 공기가 배기로 방출되기 전에 재생기를 통해 다시 전달되어 가스를 낮은 일정한 압력으로 냉각시키고 다음 사이클 동안 재생기를 가열한다.

Carnot, Diesel, Otto 및 Stirling 사이클과의 비교

이상적인 오토와 디젤 주기는 되돌릴 수 없는 이소 열 추가 및 이소 열 방출 프로세스 동안 유한한 온도 차이를 통한 열 전달을 포함하기 때문에 완전히 되돌릴 수 없다. 앞서 언급한 불가역성은 동일한 온도 한계 내에서 작동하는 카르노 엔진보다 이러한 사이클의 열 효율을 더 적게 만든다. Isobaric 열 추가 및 열 방출 프로세스를 특징으로 하는 또 다른 사이클은 Ericsson 사이클이다. 에릭슨 사이클은 카르노 사이클에서 특징지어지는 두 개의 등방성 프로세스를 두 개의 일정한 압력 재생 프로세스로 대체하는 카노트 사이클의 변형된 버전이다.

에릭슨 사이클은 종종 스털링 사이클과 비교되는데, 이러한 각각의 사이클에 기초한 엔진 설계는 둘 다 재생기가 장착된 외연 엔진이기 때문이다. 에릭슨은 소위 "이중 작용" 형태의 스털링 엔진과 가장 유사하며, 이 엔진에서 디스플레이서 피스톤도 파워 피스톤의 역할을 한다. 이론적으로 이 두 사이클 모두 열역학 제2법칙에서 허용하는 최고인 이상적인 효율이라고 한다. 가장 잘 알려진 이상 주기는 유용한 카르노 엔진이 발명되었다고 알려져 있지 않지만 카르노 사이클이다. 동일한 한계에서 작용하는 에릭슨과 스털링 사이클 모두에 대한 이론적 효율성은 동일한 한계에 대한 카르노 효율성과 동일하다.

브레이튼 사이클과의 비교

에릭슨이 개발한 첫 사이클은 현재 "브레이턴 사이클"로 불리며, 일반적으로 가스 터빈 엔진에 적용된다.

두 번째 에릭슨 사이클은 흔히 "에릭슨 사이클"이라고 부르는 사이클이다. (두 번째) 에릭슨 사이클은 이상적인 가스 터빈 브레이튼 사이클의 한계로서, 다단계 중간 냉각 압축으로 작동하고, 재가열과 재생으로 다단계 확장을 한다. 단열압축과 팽창을 사용하는 브레이튼 사이클에 비해 제2의 에릭슨 사이클은 등온압축과 팽창을 사용하므로 스트로크 당 순작업량이 더 많이 발생한다. 또한 Ericsson 사이클에서 재생의 사용은 필요한 열 입력을 감소시킴으로써 효율을 증가시킨다. 열역학 주기의 자세한 비교는 열 엔진을 참조하십시오.

에릭슨 엔진

에릭슨 엔진은 에릭슨 사이클을 기반으로 한 엔진으로, 외부적으로 가열되기 때문에 '외부 연소 엔진'으로 알려져 있다. 효율을 높이기 위해 엔진에는 컴프레서와 익스팬더 사이에 재생기 또는 환열기가 있다. 엔진은 오픈 사이클 또는 클로즈 사이클로 구동할 수 있다. 팽창은 압축과 동시에 피스톤의 반대쪽에서 발생한다.

재생기

에릭슨은 혼합류 역류 열교환기의 독자적 발명을 위해 "재생기"라는 용어를 만들었다. 그러나, 로버트 스털링 목사는 에릭슨 이전의 동일한 장치를 발명했으므로, 그 발명은 스털링에게 인정된다. 스털링은 그것을 "경제자" 또는 "경제자"라고 불렀는데, 그것이 다양한 종류의 열 처리 과정의 연비를 증가시켰기 때문이다. 이 발명품은 다른 종류의 엔진들이 스털링 엔진보다 선호되었기 때문에 더 널리 사용되게 된 많은 다른 장치들과 시스템들에서 유용하다는 것이 밝혀졌다. "재생기"라는 용어는 이제 스털링 엔진의 부품에 주어진 이름이다.

"재순환기"란 분리유동, 역류 열교환기를 말한다. 이것이 충분히 혼동되지 않은 것처럼 혼합유량 재생기는 준분리유량 환열기로 사용되기도 한다. 이는 이동 밸브를 사용하거나 고정 배플을 사용한 회전 재생 또는 다른 이동 부품을 사용하여 수행할 수 있다. 배기 가스에서 열을 회수하여 연소 공기를 예열하는 데 사용할 때, 일반적으로 환열기라는 용어가 사용된다. 두 흐름은 별개이기 때문이다.

역사

에릭슨 이전인 1791년 존 바버가 비슷한 엔진을 제안했다. 바버 엔진은 벨로우즈 압축기와 터빈 확장기를 사용했지만 재생기/재생기가 부족했다. 바버 엔진에 대한 기록은 없다. 에릭슨은 1833년(영국의 수 6409/1833번) 브레이튼 사이클의 외부 버전을 이용해 첫 엔진을 발명하고 특허를 얻었다. 이것은 줄 이전 18년, 브레이튼 이전 43년이었다. 브레이튼 엔진은 모두 피스톤 엔진이었고 대부분의 경우 내연소 버전의 에릭슨 엔진이었다. "Brayton cycle"은 현재 가스터빈 사이클로 알려져 있는데, 터빈 압축기 및 익스팬더 사용 시 원래의 "Brayton cycle"과 다르다. 가스터빈 사이클은 현대적인 모든 가스 터빈과 터보젯 엔진에 사용되지만, 단순한 사이클 터빈은 효율을 향상시키기 위해 종종 회수되며 이러한 회수된 터빈은 에릭슨의 작업과 더 흡사하다.

에릭슨은 결국 전통적인 닫힌 스털링 사이클에 유리하게 오픈 사이클을 포기했다.

에릭슨의 엔진은 원래 배기와 흡입구 사이에 두 번째 저압 냉각 용기를 사용하여 폐쇄 사이클 모드로 작동하도록 쉽게 개조할 수 있다. 폐쇄 사이클에서는 낮은 압력이 주변 압력보다 훨씬 높을 수 있으며 He 또는 H 작동₂ 가스를 사용할 수 있다. 워크피스톤이 위아래로 움직이는 압력차가 높기 때문에 용맹이 없는 스털링 엔진보다 특정 출력이 클 수 있다. 추가된 비용은 밸브다. 에릭슨의 엔진도 기계적 손실을 최소화하는데, 압축에 필요한 동력은 크랭크축 마찰 손실을 거치지 않고 팽창력에서 직접 가해진다. 피스톤 타입의 에릭슨 엔진은 잠재적으로 지금까지 건설된 것 중 가장 높은 효율의 열엔진 배치가 될 수 있다. 물론, 이것은 실제 적용에서 아직 증명되지 않았다.^{[citation needed]}

에릭슨은 증기, 스털링, 브레이튼, 외부 가열 디젤 공기 유체 사이클 등 다양한 사이클로 구동되는 매우 많은 수의 엔진을 설계하고 제작했다. 그는 석탄과 태양열을 포함한 매우 다양한 연료로 엔진을 작동시켰다.

에릭슨은 또한 1842-43년에 건설된 USS 프린스턴호에서 선박 추진용 스크류 프로펠러를 조기에 사용하는 일을 담당했다.

칼로리 선박 에릭슨

1851년 에릭슨 사이클 엔진(여기서 논의된 두 번째 엔진)은 2000t급 선박인 열량선 에릭슨에 동력을 공급하기 위해 사용되었고 73시간 동안 흠잡을 데 없이 달렸다.^[3][4] 콤비네이션 엔진은 약 300마력(220kW)을 생산했다. 그것은 4개의 듀얼 피스톤 엔진의 조합을 가지고 있었다; 직경이 14피트(4.3m)인 더 큰 팽창 피스톤/실린더는 아마도 지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 피스톤이었다. 소문에 의하면 그 피스톤들 위에 탁자를 놓고(열전실이 아닌 쿨 압축실 안에 있음) 엔진이 풀파워로 가동되는 동안 저녁식사를 대접하여 먹었다고 한다.^{[citation needed]} 6.5rpm에서 압력은 8psi(55kPa)로 제한되었다. 공식 보고서에 따르면, 그것은 단지 24시간 동안 4200 kg의 석탄만을 소비했다. (원래 목표는 8000 kg으로, 여전히 현대의 증기 엔진보다 낫다.) 한 번의 바다 실험은 엔진이 잘 작동했음에도 불구하고 배의 동력이 부족했다는 것을 증명했다. 재판이 있은 지 얼마 후 에릭슨은 침몰했다. 올리자 에릭슨 사이클 엔진이 제거되고 증기 엔진이 자리를 잡았다. 이 배는 1892년 11월 캐나다 브리티시 컬럼비아 주 바클리 사운드 입구에서 좌초되면서 난파됐다.^[5]

오늘의 잠재력

에릭슨 사이클(및 이와 유사한 브레이튼 사이클)은 오늘날 가스(및 생산 가스) 엔진과 태양열 집열기의 배기열에서 전력을 추출하기 위해 새로운 관심을^[6] 받고 있다. 널리 알려진 스털링 엔진에 대한 에릭슨 사이클의 중요한 이점은 종종 인식되지 않는다: 열 교환기의 부피는 효율성에 부정적인 영향을 미치지 않는다.

(...)스털링에 비해 상당한 이점이 있음에도 불구하고. 그 중에서도 에릭슨 엔진 열교환기는 사출량이 아니라 스털링 엔진 열교환기 설계자는 가능한 한 넓은 열전달 영역과 가능한 한 작은 열교환기 볼륨 사이에서 어려운 절충에 직면해야 한다는 점에 유의할 필요가 있다.^[7]

중형 및 대형 엔진의 경우 밸브 비용은 이 장점에 비해 작을 수 있다. 터보컴프레서+터빈 구현은 MWe 범위, Nx100 kWe 전원용 양극 변위 압축기+터빈, 100 kW 미만의 양극 변위 압축기+팽창기에서 유리해 보인다. 고온 유압 오일이 있으면 컴프레서와 익스팬더 모두 최대 400 °C까지 액체 링 펌프가 될 수 있으며, 최적의 효율성을 위해 회전 케이싱이 있다.

참조

• 에릭슨의 특허. 영국 1833명, 미국 1851명(US8481)
• 열엔진의 진화 by: Ivo Kolin 출판 모리야 출판사, 1972년 Longman에 의해
• Hot Air Caloric and Stirling Engine by: 로버트 시어 1999년 L A Mair에 의해 출판되었다.
• 뉴욕 타임즈 1853-03-01 칼로리 선박 에릭슨 - 공식 보고서 및 통신

외부 링크

• 1979년 랜드는 새로운 "에릭슨 사이클 가스 터빈 발전소" 설계에 관한 보고서 [2]
• 19세기 열기구 엔진에 관한 연구