스털링 엔진

Stirling engine
단순함을 보여주는 스털링 엔진 모델입니다.증기기관이나 내연기관과는 달리 밸브나 타이밍트레인이 없다.열원(표시되지 않음)은 황동 실린더 아래에 배치됩니다.

스털링 엔진은 서로 다른 온도 사이에서 공기 또는 기타 가스(작동 유체)가 주기적으로 압축 및 팽창하여 작동하여 열에너지를 기계적 작업으로 [1][2]순수하게 변환하는 열 엔진입니다.

보다 구체적으로 스털링 엔진은 상시 가스 작동 유체가 있는 폐쇄 사이클 재생식 열 엔진입니다.이 맥락에서 폐쇄 사이클은 작동 유체가 시스템 내에 영구적으로 포함된 열역학 시스템을 의미하며, 회생은 재생기로 알려진 특정 유형의 내부 열 교환기 및 열 저장소의 사용을 설명합니다.엄밀히 말하면, 리제너레이터가 포함된 것이 스털링 엔진을 다른 폐쇄 사이클 열풍 [3]엔진과 차별화하는 요소입니다.

스털링 엔진에서는 엔진 내부 공간(실린더) 외부에서 공급되는 에너지에 의해 가스가 가열되고 팽창됩니다.그런 다음 엔진 내의 다른 위치로 이동하여 냉각 및 압축됩니다.피스톤(또는 여러 개)은 사이클의 정확한 시간에 엔진 내의 올바른 위치로 가스를 이동하고 엔진에서 기계적 동력을 추출합니다.가스는 이러한 난방과 냉방 공간 사이에서 진동하며 온도와 압력이 변화합니다.리제너레이터는 열을 히트 싱크로 흘려보내는 것이 아니라 기계 내부의 열을 유지함으로써 일시적인 열 저장소의 역할을 하므로 효율이 높아집니다.

열은 외부에서 공급되므로 엔진의 뜨거운 부분은 외부 열원으로 데울 수 있습니다.마찬가지로 엔진의 냉각기 부분은 흐르는 물이나 공기 흐름과 같은 외부 히트 싱크로 유지할 수 있습니다.이 가스는 엔진에 영구적으로 유지되므로 헬륨이나 수소와 같이 가장 적합한 성질을 가진 가스를 사용할 수 있습니다.흡기구도 없고 배기가스도 흐르지 않아 기계는 거의 조용합니다.

기계는 가역성이므로 외부 전원에 의해 샤프트가 회전할 경우 기계 전체에 온도 차이가 발생하며, 이와 같이 히트 펌프 역할을 합니다.

스털링 엔진은 1816년 스코틀랜드 사람인 로버트[4] 스털링에 의해 증기 엔진에 필적하는 산업 원동력으로 발명되었고, 그 실용적 사용은 1세기 [5]이상 저출력의 국내 응용 분야에 국한되었다.

재생 에너지, 특히 태양 에너지에 대한 현대적 투자는 집중형 태양광 발전 및 열 펌프로의 적용을 야기했다.

역사

로버트 스털링의 1816년 특허 출원된 공기 엔진 디자인에서 나온 삽화(나중에 스털링 엔진으로 알려짐)

초기 열풍 엔진

Robert Stirling은 열풍 엔진의 아버지 중 한 명으로 알려져 있는데, 이는 1699년에 최초로 작동하는 열풍 [7]엔진을 만드는 데 성공한 기욤 아몬톤스(Guillaume Amontons)[6]와 같은 초기 모델에도 불구하고 말이다.

Amontons는 나중에 Sir George [8]Cayley에 의해 뒤를 이었다.이 엔진 유형은 연소 상태를 유지하기 위해 충분한 양의 화덕 아래로 펌핑된 공기에 의해 화재가 밀폐되고 공급되는 엔진 유형입니다. 공기의 대부분은 불 위로 유입되어 가열 및 팽창됩니다. 전체는 연소 생성물과 함께 피스톤에 작용하여 워를 통과합니다.킹 실린더; 그리고 작동은 단순한 혼합물의 하나이며, 금속의 가열 표면이 필요하지 않으며 가열될 공기는 화재와 [citation needed]즉시 접촉한다.

스털링은 1816년에 [9]최초의 공기 엔진을 고안했다.스털링 공기 엔진의 원리는 공기가 용해로를 통해 강제적으로 배출되는 조지 케일리 경(1807)의 원리와는 다른 반면 스털링 엔진에서는 공기가 폐쇄 회로에서 작동합니다.그 발명가는 그의 대부분의 관심을 [citation needed]그것에 쏟았다.

에어셔 채석장에서 물을 퍼올리기 위해 1818년에 제작된 2마력 (1.5kW) 엔진은 부주의한 직원이 히터가 과열될 때까지 한동안 계속 작동했습니다.이 실험은 발명가에게 낮은 작동 압력 때문에 엔진이 그 당시에는 [citation needed]수요가 없었던 작은 동력에만 적합할 수 있다는 것을 증명했습니다.

스털링 1816[10] 특허는 재생기의 전신인 이코노미저에 관한 것이기도 했다.이 특허(#4081)에서는, 「경제」테크놀로지와 그러한 테크놀로지를 사용할 수 있는 몇개의 애플리케이션에 대해 설명합니다.그 중에서 열풍 [citation needed]엔진을 위한 새로운 장치가 나왔다.

스털링은 1827년 [11]그의 형 제임스와 함께 두 번째 열풍 엔진을 특허 취득했다.디스플레이서의 고온단이 기계 아래에 있도록 설계를 뒤집었고 압축 공기 펌프를 추가하여 내부 공기를 약 20개의 표준 대기(2,000kPa)[citation needed]로 증가시켰습니다.

스털링 형제는 1828년 파킨슨&크로슬리와[12] 아르노트가[13] 뒤를 이었다.[citation needed]

에릭슨이[14] 추가되어야 하는 이러한 선구자들은 온풍 엔진 기술과 증기 엔진에 대한 엄청난 이점을 세계에 가져다 주었습니다.각각 독자적인 기술을 탑재해, 스털링 엔진과 파킨슨&크로슬리 엔진은 꽤 비슷했지만, 로버트 스털링은 재생기를 [citation needed]발명해 두각을 나타냈다.

파킨슨과 크로슬리는 대기보다 더 밀도가 높은 공기를 사용하는 원리를 도입하여 동일한 나침반에서 더 강력한 엔진을 얻었다.제임스 스털링은 유명한 던디 [15]엔진을 만들 때 이 아이디어를 따랐습니다.

1827년의 스털링 특허는 [16]1840년의 스털링 세 번째 특허의 기초였다.1827년 특허로부터의 변경은 미미했지만 필수적인 것이었고, 이 세 번째 특허는 던디 [17]엔진으로 이어졌다.

제임스 스털링은 1845년에 [18]그의 엔진을 토목 공학 협회에 제출했다.여러 가지 개조 후 효율적으로 제작 및 가열되고 직경 30cm(12인치)의 실린더와 60cm(2피트)의 스트로크 길이를 가지며 1분(40rpm) 만에 40번의 스트로크 또는 회전수를 달성한 최초의 엔진입니다.이 엔진은 Dundee Foundry Company의 모든 기계를 8개월 또는 10개월 동안 이동시켰으며, 이전에는 약 16kW(21마력)[citation needed]의 출력으로 320,000kg(700,000파운드)의 60cm(2ft)를 1분에 올릴 수 있는 것으로 확인되었습니다.

Dundee Foundry Company는 이 동력이 작업에 불충분하다고 판단하여 직경 40cm(16인치)의 실린더, 스트로크 1.2m(4피트)의 스트로크, 1분에 28번의 스트로크를 하는 두 번째 엔진을 제작했습니다.이 엔진 지속적인 작업에서 2년 이상 근무하던 뿐만 아니라 가장 만족스런 방법으로 파운드리의 일을( 제3자에 대한 마찰 브레이크에 의해)거의 687톤(150만파운드), 약 34킬로와트(45마력)의 힘을 좋아지게 하는 정도로 검증되고 있었다.[표창 필요한]

발명 및 초기 개발

스털링 엔진(또는 당시 알려진 스털링의 공기 엔진)은 1816년에 [19]발명되어 특허를 받았습니다.그것은 공기 엔진을 만들려는 초기 시도에 뒤이은 것이지만 아마도 1818년 스털링에 의해 만들어진 엔진이 [20]채석장에서 물을 퍼 올리는 데 사용되었을 때 처음으로 실용화되었을 것이다.스털링의 원래 특허의 주요 주제는 열교환기로, 그는 열교환기를 다양한 응용 분야에서 연비 향상을 위해 "경제학"이라고 불렀다.특허는 또한 그의 독특한 폐쇄 사이클 공기 엔진[21] 설계에 이코노마이저를 한 가지 형태로 사용하는 것을 상세히 설명했으며, 이 엔진 설계는 현재 일반적으로 "재생기"로 알려져 있습니다.Robert Stirling과 그의 형 James의 후속 개발로, 가압을 포함한 오리지널 엔진의 다양한 개선된 구성에 대한 특허가 생성되었고, 1843년까지 Dundee 철 [22]주조 공장의 모든 기계를 구동할 수 있을 만큼 출력이 증가했습니다.

제임스 스털링이 1845년 6월에 토목 공학 협회에 제출한 논문은 그의 목표가 연료를 절약하는 것뿐만 아니라 보일러가 자주 폭발하여 많은 부상과 [24][25]사망을 야기했던 [23]그 시대의 증기 엔진에 대한 더 안전한 대안을 만드는 것이라고 말했다.그러나 이것은 [26]논란이 되고 있다.

스털링 엔진은 매우 높은 온도에서 작동하여 출력과 효율을 극대화할 필요가 있었기 때문에 당시 재료의 한계를 드러냈으며, 초기에 제조된 몇 안 되는 엔진은 허용할 수 없을 정도로 잦은 고장을 겪었습니다(보일러 [27]폭발보다 훨씬 덜 심각한 결과를 초래함).예를 들어, Dundee 주조 공장 엔진은 4년 [28]동안 세 번의 고온 실린더 고장 후 증기 엔진으로 대체되었습니다.

19세기 후반

Rider-Ericson Engine Company의 전형적인 19세기 후반/20세기 초반 워터 펌핑 엔진

Dundee 주조 공장 엔진을 교체한 이후 스털링 형제가 공기 엔진 개발에 더 이상 관여했다는 기록은 없으며 스털링 엔진은 산업 규모의 동력원으로서 증기와 경쟁하지 않았습니다.(증기 보일러는 안전해졌습니다. 예를 들어, Hartford 증기[29] 보일러와 증기 엔진의 효율이 향상되었기 때문에 경쟁 주동자의 표적이 줄어들었습니다.)그러나 1860년경부터 교회 기관용 공기를 펌핑하거나 [30]물을 끌어올리는 등 저출력 또는 중출력원을 필요로 하는 어플리케이션용으로 스털링/온풍 타입의 소형 엔진이 상당히 많이 생산되었습니다.이러한 소형 엔진은 일반적으로 낮은 온도에서 작동하여 사용 가능한 재료에 부담을 주지 않았기 때문에 상대적으로 효율이 낮았습니다.증기 기관과 달리 화재를 관리할 수 있는 사람이면 누구나 안전하게 운전할 수 있다는 것이 그들의 장점이었다.1906년 Rider-Ericson Engine Co. 카탈로그는 "정원사 또는 일반 가정용은 이러한 엔진을 작동할 수 있으며 자격증이나 경험이 있는 엔지니어가 필요하지 않다"[citation needed]고 주장했다.몇 가지 유형은 세기 말 이후에도 생산되었지만, 몇 가지 사소한 기계적 개선점을 제외하면 스털링 엔진의 설계는 일반적으로 이 [31]기간 동안 정체되었다.

20세기 부흥

1951년 필립스 MP1002CA 스털링 제너레이터

20세기 초반에 스털링 엔진의 "국내 모터"[32]로서의 역할은 전기 모터와 소형 내연 엔진에 의해 점차 계승되었다.1930년대 후반에는 장난감과 몇 개의 작은 [33]환풍기만을 위해 생산되었고, 대부분 잊혀졌다.

그 무렵 필립스는 그리드 전기와 배터리를 일관되게 구할 수 없는 세계 각지로 라디오 판매 확대를 모색하고 있었다.필립스 경영진은 저전력 휴대용 발전기를 제공하는 것이 이러한 판매에 도움이 될 것이라고 판단하고, 이 목표를 달성하기 위한 다른 방법을 검토할 것을 에인트호벤에 있는 회사 연구소의 엔지니어들에게 요청했다.다양한 원동기를 체계적으로 비교한 후, 팀은 스털링 엔진의 조용한 작동(청각 및 무선 간섭 측면 모두)[34]과 다양한 열원(공통 램프 오일 - "저렴하고 어디서나 사용 가능")을 이유로 스털링 엔진을 계속 사용하기로 결정했습니다.그들은 또한 증기 및 내연 기관과 달리 스털링 엔진에 대해 수년 동안 거의 어떠한 심각한 개발 작업도 수행되지 않았다는 것을 알고 있었으며, 현대 재료와 노하우가 큰 [35]개선을 가능하게 할 것이라고 주장했다.

1951년까지 MP1002CA로 명명된 180/200 W 발전기 세트("분갈로 세트")가 생산 준비가 되었고 250개의 초기 배치가 계획되었지만 곧 경쟁력 있는 가격으로 만들 수 없다는 것이 분명해졌다.또한 트랜지스터 라디오의 등장과 훨씬 더 낮은 전력 요구사항은 세트의 원래 이유가 사라지고 있음을 의미했습니다.이들 세트 중 약 150개가 최종적으로 [36]생산되었다.일부는 전 세계 대학과 대학 공학부에 진출하여, 여러 세대 학생들에게 스털링 엔진을 가치 있게 소개시켜 주었다. 이는 1961년 3월 Research and Control Instruments Ltd로부터 온 편지이다.런던 WC1에서 노스 데본 기술 대학으로 "남은 재고" 제공...여러분 같은 기관에...75파운드의 특별 가격으로.[citation needed]

방갈로 세트와 병행하여 필립스는 다양한 용도로 실험적인 스털링 엔진을 개발하여 1970년대 후반까지 이 분야에서 계속 일했지만 "역스털링 엔진" 저온 냉각기로 상업적 성공을 거두었습니다.그러나, 그들은 많은 특허를 출원하고 풍부한 정보를 축적해, 타사에 라이센스를 부여해,[37] 근대 개발 작업의 토대를 형성했다.

1996년 스웨덴 해군은 3척의 고틀란드급 잠수함을 취역시켰다.표면적으로는, 이 보트들은 해양 디젤 엔진에 의해 추진된다.하지만 물에 잠기면 스웨덴 조선업체 코쿰스가 개발한 스털링(Stirling)식 발전기를 이용해 배터리를 충전하고 [38]추진에 전력을 공급한다.액체 산소 공급은 디젤 연료 연소를 지원하기 위해 엔진에 전원을 공급합니다.스털링 엔진은 스웨덴 쇠데르만란드급 잠수함, 싱가포르에서 취역 중인 궁수급 잠수함, 일본 소류급 잠수함용으로 가와사키 중공업이 면허 제작한 잠수함에도 장착된다.잠수함 애플리케이션에서는 스털링 엔진이 작동 [citation needed]시 매우 조용하다는 장점을 제공합니다.

21세기의 발전

21세기 초까지 스털링 엔진은 집속 태양광 발전 시스템의 접시 버전에 사용되었습니다.매우 큰 위성 접시와 유사한 거울 모양의 접시는 열을 흡수 및 수집하여 유체를 사용하여 스털링 엔진으로 전달합니다.그 결과 발생하는 기계적 동력은 발전기나 교류 발전기를 작동시켜 [39]전기를 생산하는 데 사용됩니다.

마이크로 복합 열 및 동력(CHP) 장치의 핵심 구성요소는 스털링 사이클 엔진에 의해 형성될 수 있습니다. 스털링 사이클 엔진은 동등한 증기 엔진보다 더 효율적이고 안전하기 때문입니다.2003년까지 CHP 유닛은 국내 [40]응용 프로그램에 상업적으로 설치되었습니다.

2013년에는 6가지 특징적인 무차원 [41]그룹을 기반으로 프리피스톤 스털링 엔진의 스케일링 법칙에 관한 기사가 발표되었습니다.

명칭 및 분류

스털링 엔진 작동 중

로버트 스털링은 1816년에 닫힌 사이클 열풍 엔진의 첫 번째 실용적인 예를 특허 받았으며, 1884년 Fleeming Jenkin에 의해 그러한 엔진은 일반적으로 스털링 엔진이라고 불려야 한다고 제안되었습니다.이 명명 제안은 거의 지지를 받지 못했고, 시장에 나와 있는 다양한 유형은 라이더, 로빈슨, 하인리치(Heinrici)의 공기 엔진과 같은 개인 디자이너나 제조사의 이름으로 계속 알려졌습니다.1940년대에 필립스사는 공기 이외의 작동 유체로 시험한 공기 엔진이라는 자체 버전의 적절한 이름을 찾고 있었고 1945년 [42]4월에 '스틸링 엔진'으로 결정했다.하지만 30년 가까이 지난 지금도 그레이엄 워커는 열풍엔진과 스털링엔진의 호환성이 유지된다는 사실을 한탄할 이유가 있었다. 스털링엔진은 그 자체로 광범위하고 [43]무차별적으로 적용되고 있으며,[44] 이러한 상황은 계속되고 있다.

스털링 엔진은 증기 엔진과 마찬가지로 작동 유체와의 모든 열 전달이 고체 경계(열 교환기)를 통해 이루어지기 때문에 전통적으로 외연 엔진으로 분류됩니다. 따라서 연소 프로세스와 엔진 작동 부품에서 발생할 수 있는 오염 물질이 격리됩니다.이는 작동 중인 유체 본체 내에서 연료 연소에 의해 열이 입력되는 내연 엔진과 대조적입니다.스털링 엔진의 가능한 많은 구현은 대부분 왕복 피스톤 [citation needed]엔진의 범주에 속합니다.

이론.

주요 기사:스털링 사이클
이상적인 스털링 사이클의 압력/볼륨 그래프입니다.

이상적인 스털링 사이클은 작동 유체에 작용하는 네 가지 열역학 프로세스로 구성됩니다.

  1. 등온 팽창팽창 공간 및 관련 열 교환기는 일정한 고온으로 유지되며, 가스는 열원으로부터 열을 흡수하는 거의 등온 팽창을 거칩니다.
  2. 일정량(등화성 또는 등화성) 열제거.가스는 리제너레이터를 통과하여 냉각되고 다음 사이클에서 사용할 수 있도록 리제너레이터로 열을 전달합니다.
  3. 등온 압축.압축 공간 및 관련 열 교환기는 저온 상태를 일정하게 유지하여 가스가 냉동기 쪽으로 열을 방출하는 등온 압축 과정을 거칩니다.
  4. 일정량(등화성 또는 등화성) 열첨가.가스는 재생기를 통해 프로세스 2에서 전달된 열의 대부분을 회수하여 팽창 공간으로 가열됩니다.

엔진은 일반적으로 작동 가스가 엔진의 더 차가운 부분에서 압축되고 더 뜨거운 부분에서 팽창하여 열이 작업으로 [2]순 변환되도록 설계되었습니다.내부 재생식 열 교환기는 이 기능이 없는 단순한 열풍 엔진에 비해 스털링 엔진의 열 효율을 높입니다.

스털링 엔진은 핫엔드와 콜드엔드의 온도차를 사용하여 가열 및 팽창, 냉각 및 압축된 고정된 가스 덩어리의 사이클을 설정함으로써 열에너지를 기계적 에너지로 변환합니다.열원과 냉원의 온도차가 클수록 열효율이 높아집니다.이론적으로 최대 효율은 카르노 사이클과 동일하지만 마찰 및 기타 [citation needed]손실 때문에 실제 엔진의 효율은 이 값보다 낮습니다.

스털링 엔진은 폐쇄 사이클이기 때문에 "작동 유체"라고 불리는 고정된 가스 덩어리를 포함하고 있으며, 가장 일반적으로 공기, 수소 또는 헬륨을 포함합니다.정상 작동 시 엔진은 씰링되고 가스가 들어오거나 나가지 않습니다. 다른 유형의 피스톤 엔진과 달리 밸브는 필요하지 않습니다.스털링 엔진은 대부분의 열 엔진과 마찬가지로 냉각, 압축, 가열 및 팽창의 4가지 주요 프로세스를 순환합니다.이는 고온 및 냉간 열 교환기 사이에서 가스를 앞뒤로 이동시키는 방식으로 이루어지며, 종종 히터와 쿨러 사이에 재생기가 있습니다.열교환기는 연료 버너와 같은 외부 열원과 열 접촉하고, 냉열교환기는 에어핀과 같은 외부 열제거원과 열 접촉합니다.가스 온도의 변화는 그에 상응하는 가스 압력의 변화를 야기하는 반면, 피스톤의 움직임은 가스를 팽창시키고 [citation needed]압축시킵니다.

가스는 가스의 압력, 온도 및 부피가 어떻게 관련되어 있는지를 설명하는 가스 법칙에 의해 설명된 동작을 따릅니다.가스가 가열되면 압력이 상승하고(밀폐된 챔버에 있기 때문에), 이 압력이 파워 피스톤에 작용하여 파워 스트로크를 생성합니다.가스가 냉각되면 압력이 떨어지고 이 강하는 피스톤이 리턴 스트로크 시 가스를 압축하는 작업을 줄일 필요가 있음을 의미합니다.스트로크 간의 작업 차이는 순 양의 출력을 [citation needed]산출합니다.

피스톤의 한쪽이 대기에 개방되면 작동 방식이 약간 다릅니다.밀폐된 부피의 작동 가스는 뜨거운 쪽에 접촉하면 팽창하여 피스톤과 대기 모두에 작용합니다.작동 중인 가스가 차가운 쪽에 닿으면 압력이 대기압 아래로 떨어지고 대기가 피스톤을 밀어 [citation needed]가스에 작용합니다.

구성 요소들

마름모꼴 드라이브 베타 구성 스털링 엔진 설계의 컷어웨이 다이어그램:
1 - 고온 실린더 벽
2 - 냉간 실린더 벽
3 - 냉각수 입구 및 출구 파이프
4 - 두 실린더 끝을 분리하는 단열재
5 - 디스플레이서 피스톤
6 - 파워 피스톤
7 - 링크 크랭크 및 플라이휠
표시되지 않음:열원 및 히트싱크이 설계에서 디스플레이서 피스톤은 특수 제작된 재생기 없이 구성됩니다.

폐쇄 사이클 작동의 결과로 스털링 엔진을 구동하는 열은 열원에서 작동 유체로 열 교환기를 통해 전달되고 최종적으로 히트 싱크로 전달되어야 합니다.스털링 엔진 시스템에는 적어도 하나의 열원, 하나의 열 싱크 및 최대 5개의 열 교환기가 있습니다.일부 유형은 이들 [citation needed]중 일부를 결합하거나 생략할 수 있습니다.

열원

스털링 엔진을 중심에 두고 스페인 플라타포마 솔라 데 알메리아(PSA)에 있는 솔라 트래커를 이용한 포인트 포커스 포물선 거울.

열원은 연료의 연소에 의해 제공될 수 있으며, 연소 생성물이 작동 유체와 혼합되지 않아 엔진의 내부 부품과 접촉하지 않기 때문에 스털링 엔진은 매립 가스와 같이 다른 유형의 엔진 내부에 손상을 줄 수 있는 연료에서 작동할 수 있으며, 연료는 실록산을 포함할 수 있습니다.기존 [45]엔진에서 연마성 이산화규소를 사용합니다.

다른 적절한 열원에는 농축 태양 에너지, 지열 에너지, 원자력 에너지, 폐열 및 바이오 에너지가 포함된다.태양열 에너지를 열원으로 사용할 경우 일반 태양광 거울과 태양열 접시를 사용할 수 있다.플레넬 렌즈와 거울의 사용은 행성 표면 [46]탐사에서도 주장되어 왔다.태양열 스털링 엔진은 환경 친화적인 동력 생산 옵션을 제공하는 반면 일부 디자인은 개발 [47]프로젝트에서 경제적으로 매력적이기 때문에 인기가 높아지고 있습니다.

열교환기

스털링 엔진 열 교환기를 설계하는 것은 높은 열 전달과 낮은 점성 펌핑 손실과 낮은 데드 스페이스(스위프되지 않은 내부 부피) 사이의 균형입니다.고출력 및 압력으로 작동하는 엔진은 고온의 열 교환기를 고온에서 상당한 강도를 유지하고 부식 또는 [citation needed]기어다니지 않는 합금으로 제작해야 합니다.

소형 저출력 엔진에서는 열 교환기가 단순히 각각의 고온 및 저온 챔버의 벽으로 구성될 수 있지만, 더 큰 출력이 필요한 경우에는 충분한 열을 전달하기 위해 더 큰 표면적이 필요합니다.일반적인 구현은 뜨거운 쪽에는 내부 및 외부 핀 또는 여러 개의 작은 보어 튜브를 사용하고 차가운 [citation needed]쪽에는 액체(물 등)를 사용하는 쿨러입니다.

재생기

주요 기사:재생 열교환기

스털링 엔진에서 재생기는 내부 열교환기이며 온기와 냉기 공간 사이에 배치된 임시 열저장소로 작동 유체가 작동 유체를 먼저 통과시켜 한 방향으로 유체로부터 열을 받아 다른 방향으로 되돌립니다.금속 메시나 폼처럼 단순할 수 있으며 높은 표면적, 높은 열 용량, 낮은 전도율 및 낮은 흐름 [48]마찰의 이점을 누릴 수 있습니다.이 기능은 최대 및 최소 사이클 [49]온도의 중간 온도에서 환경과 교환될 수 있는 열을 시스템 내에 유지하여 사이클의 열효율이 제한[50] 카르노 효율에 근접하도록 하는 [citation needed]것입니다.

스털링 엔진의 재생의 일차적 효과는 내부 열을 '재순환'하여 열효율을 높이는 것입니다. 내부 열은 엔진을 되돌릴 수 없이 통과합니다.이차적인 효과로서 열효율이 증가하면 특정 세트의 핫엔드 및 콜드엔드 열교환기에서 더 높은 전력출력을 얻을 수 있습니다.일반적으로 엔진의 열 처리량을 제한합니다.실제로 이러한 추가 전력은 실제 재생기에 내재된 추가적인 "데드 공간"(스위프되지 않은 볼륨)과 펌핑 손실이 [citation needed]재생으로 인한 잠재적 효율성 이득을 감소시키기 때문에 완전히 실현되지 않을 수 있습니다.

스털링 엔진 리제너레이터의 설계 과제는 내부 볼륨('데드 스페이스')이나 흐름 저항을 너무 많이 발생시키지 않고 충분한 열 전달 용량을 제공하는 것입니다.이러한 고유의 디자인 충돌은 실용적인 스털링 엔진의 효율을 제한하는 많은 요인 중 하나입니다.일반적인 설계는 미세한 금속 그물 더미로, 다공성이 낮아 데드 스페이스를 줄이고 와이어 축을 가스 흐름에 수직으로 하여 해당 방향의 전도를 줄이고 대류 열 [51]전달을 극대화하는 것입니다.

재생기는 Robert Stirling에 의해 발명된 핵심 부품이며, 그 존재는 진정한 스털링 엔진을 다른 폐쇄 사이클 열풍 엔진과 구별합니다.소형 '장난감' 스털링 엔진, 특히 저온 차이(LTD) 유형의 많은 엔진에는 뚜렷한 리제너레이터 구성 요소가 없으며 열풍 엔진으로 간주될 수 있습니다. 그러나 디스플레이서 자체 표면과 인근 실린더 벽 또는 고온과 저온 사이클을 연결하는 통로에 의해 소량의 재생이 제공됩니다.알파 구성 [citation needed]엔진의 린더.

히트 싱크

스털링 엔진의 핫 섹션과 콜드 섹션 간의 온도 차이가 클수록 엔진 효율이 높아집니다.히트 싱크는 일반적으로 엔진이 외부 온도에서 작동하는 환경입니다.중출력에서 고출력 엔진의 경우 엔진에서 외부 공기로 열을 전달하려면 라디에이터가 필요합니다.해양 엔진은 일반적으로 주변 공기보다 차가운 주변 바닷물, 호수 또는 강물을 사용할 수 있는 장점이 있습니다.열과 동력이 결합된 시스템의 경우 엔진의 냉각수가 난방용으로 직간접적으로 사용되어 [citation needed]효율이 높아집니다.

또는 저온에서 열을 공급하고 저온에서 유지되는 히트 싱크는 극저온 유체(액상 질소 경제 참조) 또는 얼음물로 [citation needed]제공할 수 있다.

디스플레이서

디스플레이서는 베타 및 감마형 스털링 엔진에 사용되는 특수 용도의 피스톤으로 작동 가스를 고온 및 저온 열 교환기 사이에서 앞뒤로 이동합니다.엔진 설계 유형에 따라 디스플레이서는 실린더에 씰링되거나 씰링되지 않을 수 있습니다. 즉, 디스플레이서는 실린더 내부에 느슨하게 장착될 수 있으며, 작동 가스가 실린더의 일부를 차지하기 위해 디스플레이서 주위를 통과할 수 있습니다.알파형 엔진은 핫사이드에 높은 응력을 가하기 때문에 하이브리드 피스톤을 사용하는 발명가는 거의 없습니다.하이브리드 피스톤에는 일반 알파형 엔진으로 씰링된 부품이 있지만, 그 주변의 실린더와 직경이 작은 디스플레이서 부품이 연결되어 있습니다.압축비는 원래 알파형 엔진보다 조금 낮지만 밀폐된 [citation needed]부품은 응력 계수가 상당히 낮습니다.

구성

스털링 엔진의 세 가지 주요 유형은 고온 영역과 저온 [citation needed]영역 사이에서 공기를 이동하는 방식에 따라 구분됩니다.

  1. 알파 구성에는 두 개의 파워 피스톤이 있습니다. 하나는 고온 실린더에, 다른 하나는 저온 실린더에 있으며, 가스는 피스톤에 의해 두 개 사이에서 구동됩니다. 일반적으로 피스톤은 크랭크축의 동일한 지점에서 결합되어 V자 형태로 형성됩니다.
  2. 베타 구성에는 핫 엔드와 콜드 엔드가 있는 단일 실린더가 있으며, 파워 피스톤과 핫 엔드와 콜드 엔드의 사이에서 가스를 구동하는 '디플레이서'가 들어 있습니다.일반적으로 디스플레이서와 파워 피스톤 간의 위상차를 달성하기 위해 마름모꼴 드라이브와 함께 사용되지만 크랭크축에서 위상이 어긋나면 90도 결합할 수 있습니다.
  3. 감마 구성에는 두 개의 실린더가 있습니다. 하나는 고온 및 저온 단부를 가진 디스플레이서를 포함하고 다른 하나는 파워 피스톤을 위한 실린더입니다. 실린더는 단일 공간을 형성하기 위해 결합됩니다. 따라서 실린더는 동일한 압력을 갖습니다. 피스톤은 일반적으로 평행하며 크랭크축에서 위상이 어긋납니다.

알파

알파형 스털링 엔진.실린더가 두 개 있다.팽창 실린더(빨간색)는 압축 실린더(파란색)가 냉각되는 동안 고온으로 유지됩니다.두 실린더 사이의 통로에는 리제너레이터가 있습니다.

알파 스털링에는 두 개의 파워 피스톤이 별도의 실린더에 들어 있습니다. 하나는 고온이고 하나는 냉간입니다.고온 실린더는 고온 열 교환기 내부에 위치하며, 콜드 실린더는 저온 열 교환기 내부에 위치합니다.이 유형의 엔진은 출력 대 체적비가 높지만 일반적으로 고온 피스톤의 온도가 높고 [52]씰의 내구성이 높아 기술적인 문제가 있습니다.실제로 이 피스톤은 일반적으로 고온 영역에서 씰을 이동시키기 위해 큰 절연 헤드를 운반하며, 약간의 추가 데드 스페이스를 희생합니다.크랭크 각도는 효율에 큰 영향을 미치며 최적의 각도는 실험적으로 찾아야 합니다.90°의 각도는 자주 [citation needed]잠깁니다.

프로세스의 4단계 설명은 다음과 같습니다.

  1. 대부분의 작동 가스는 뜨거운 실린더 안에 있으며 뜨거운 실린더의 벽과 더 많이 접촉합니다.그 결과 가스가 전체적으로 가열됩니다.압력이 증가하고 가스가 팽창합니다.고온 실린더는 최대 부피이고 콜드 실린더는 중간 스트로크(부분 부피)이기 때문에 콜드 실린더로 확장되어 시스템의 부피가 증가합니다.
  2. 시스템이 최대 용량에 도달하고 더 많은 가스가 콜드 실린더와 접촉합니다.그러면 가스가 냉각되어 압력이 낮아집니다.플라이휠 운동량 또는 같은 축의 다른 피스톤 쌍으로 인해 고온 실린더는 시스템의 부피를 감소시키는 업 스트로크를 시작합니다.
  3. 거의 모든 가스가 현재 차가운 실린더 안에 있고 냉각이 계속되고 있습니다.이것은 계속해서 가스의 압력을 낮추고 수축을 일으킨다.핫 실린더는 최소 부피, 콜드 실린더는 최대 부피이기 때문에 콜드 실린더의 내부 압축에 의해 시스템의 부피가 더욱 감소합니다.
  4. 시스템이 최소 용량에 도달하고 가스가 뜨거운 실린더와 더 많이 접촉합니다.시스템의 부피는 뜨거운 실린더의 팽창에 의해 증가합니다.

베타.

한쪽 기통만 있는 베타형 스털링 엔진으로 한쪽 끝은 뜨겁고 다른 한쪽 끝은 차갑습니다.느슨하게 장착된 디스플레이서는 실린더의 핫 엔드 및 콜드 엔드 사이에서 공기를 분쇄합니다.실린더의 오픈 엔드에 있는 파워 피스톤이 플라이휠을 구동합니다.

베타 스털링은 디스플레이서 피스톤과 동일한 축상의 동일한 실린더 내에 배치된 단일 파워 피스톤을 가진다.디스플레이서 피스톤은 헐겁게 장착되며 팽창하는 가스에서 어떠한 동력도 추출하지 않고 작동 중인 가스를 고온 및 냉간 열 교환기 간에 셔틀링하는 역할만 합니다.작동 중인 가스가 실린더의 핫 엔드로 밀리면 가스가 팽창하여 파워 피스톤을 누릅니다.실린더의 콜드 엔드로 밀리면 수축하고 보통 플라이휠에 의해 강화되는 기계의 운동량은 파워 피스톤을 반대로 눌러 가스를 압축합니다.알파 타입과 달리, 베타 타입은 파워 피스톤이 뜨거운 [53]가스와 접촉하지 않기 때문에 핫 무빙 씰의 기술적 문제를 방지합니다.

  1. 파워 피스톤(진회색)이 가스를 압축하고 디스플레이서 피스톤(연회색)이 움직여 대부분의 가스가 열교환기에 인접합니다.
  2. 가열된 가스는 압력이 증가하여 파워 피스톤을 파워 스트로크의 가장 먼 한계까지 밀어냅니다.
  3. 이제 디스플레이서 피스톤이 움직이면서 가스가 실린더의 콜드 엔드로 전환됩니다.
  4. 냉각된 가스는 이제 플라이휠 운동량에 의해 압축됩니다.이것은 냉각될 때 압력이 떨어지기 때문에 에너지를 덜 소모합니다.

감마

감마 스털링은 단순히 파워 피스톤이 디스플레이서 피스톤 실린더와 함께 별도의 실린더에 장착되지만 동일한 플라이휠에 연결된 베타 스털링입니다.두 실린더의 가스는 두 실린더 사이에서 자유롭게 흐를 수 있으며 하나의 몸체로 유지됩니다.이 구성은 두 개의 연결 부피로 인해 압축비가 낮지만 기계적으로 더 단순하며 다중 기통 스털링 엔진에 [citation needed]자주 사용됩니다.

기타 타입

수평 피스톤에 전원을 공급하는 2개의 회전 디스플레이서 상단도.명확성을 위해 재생기 및 라디에이터 제거

다른 스털링 구성도 엔지니어와 [citation needed]발명가의 관심을 끌고 있습니다.

  • 로터리 스털링 엔진은 로터리 연소 엔진과 유사하게 스털링 사이클의 출력을 직접 토크로 변환합니다.실용적인 엔진은 아직 개발되지 않았지만 Quasiturbine [54]엔진과 같은 많은 개념, 모델 및 특허가 생산되었습니다.
  • 피스톤과 로터리 구성 간의 하이브리드는 복동 엔진입니다.이 설계에서는 파워 피스톤 양쪽에 있는 디스플레이서가 회전합니다.이 레이아웃은 열 전달 영역의 설계상의 가변성을 크게 제공할 뿐만 아니라 출력축의 외부 씰 하나와 피스톤의 내부 씰 하나를 제외하고 모두 제거해 줍니다.또,[citation needed] 양쪽이 서로 균형을 잡기 때문에 높은 압력을 받을 수 있다.
  • 또 다른 대안으로는 유압 피스톤을 사용하여 스털링 사이클을 구현하는 Fluidyne 엔진(또는 Fluidyne 히트 펌프)이 있습니다.Fluidyne 엔진에 의해 생성된 작업은 액체를 펌핑하는 데 사용됩니다.가장 단순한 형태로 엔진은 작동 중인 가스, 액체 및 2개의 역류 방지 [citation needed]밸브를 포함합니다.
  • 1907년에 발표된 링봄 엔진 컨셉에는 디스플레이서를 위한 회전 메커니즘이나 링크가 없습니다.대신 작은 보조 피스톤(일반적으로 두꺼운 디스플레이서 로드)에 의해 구동되며,[55][56] 스톱에 의해 움직임이 제한됩니다.
  • 엔지니어 Andy Ross는 2기통 스털링 엔진(90°가 아닌 0°에 위치)을 발명했습니다.특수 [57][promotion?]요크를 사용하여 연결합니다.
  • 프렌차이즈 엔진은 19세기에 샤를 루이 펠릭스 프렌차이즈에 의해 발명된 복동 엔진입니다.복동 엔진에서는 작동 오일의 압력이 피스톤의 양쪽에 작용합니다.복동 기계의 가장 단순한 형태 중 하나인 프랜차이즈 엔진은 두 개의 피스톤과 두 개의 실린더로 구성되어 있으며 두 개의 개별 알파 기계와 같은 역할을 합니다.프랜차이즈 엔진에서는 각 피스톤이 2개의 가스상으로 작동하므로 단일 작동 알파 기계보다 기계 구성 요소를 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.그러나 이 기계의 단점은 엔진의 뜨거운 쪽에 슬라이딩 씰이 하나 있어야 한다는 것인데, 이는 고압과 [58]온도를 다룰 때 어렵습니다.

프리피스톤 엔진

다양한 프리피스톤 스털링 구성...F. "자유 실린더", G. Fluidyne, H. "복동" 스털링(일반적으로 4개의 실린더).

프리 피스톤 스털링 엔진에는 액체 피스톤이 있는 엔진과 다이어프램이 피스톤으로 있는 엔진이 포함됩니다.프리피스톤 디바이스에서 에너지는 전기선형 교류발전기, 펌프 또는 기타 동축디바이스에 의해 추가 또는 제거될 수 있다.이렇게 하면 링크가 필요하지 않고 움직이는 부품의 수가 줄어듭니다.일부 설계에서는 비접촉 가스 베어링 또는 평면 [citation needed]스프링을 통한 매우 정밀한 서스펜션 사용으로 마찰 및 마모가 거의 제거됩니다.

프리 피스톤 스털링 엔진 사이클의 4가지 기본 단계는 다음과 같습니다.[citation needed]

  1. 파워 피스톤은 팽창하는 가스에 의해 바깥쪽으로 밀려나며 작업을 수행합니다.중력은 순환에서 아무런 역할을 하지 않는다.
  2. 엔진 내 가스량이 증가하여 압력이 감소하며, 이로 인해 디스플레이서 로드의 압력 차이가 디스플레이서가 핫 엔드로 향하도록 강제됩니다.디스플레이서가 움직일 때 피스톤은 거의 정지 상태이므로 가스량은 거의 일정합니다.이 단계는 일정한 체적 냉각 프로세스를 통해 가스의 압력을 낮춥니다.
  3. 감소된 압력은 이제 피스톤의 바깥쪽으로의 움직임을 억제하고 피스톤은 다시 핫엔드를 향해 가속하기 시작합니다. 그리고 피스톤 자체의 관성에 의해 현재는 주로 차가운 공간에 있는 차가운 가스를 압축합니다.
  4. 압력이 증가함에 따라 디스플레이서 로드(및 디스플레이서)를 피스톤 쪽으로 밀기 시작할 정도로 디스플레이서 로드 간의 압력 차이가 커져 냉기가스를 붕괴시키고 거의 일정한 부피 프로세스에서 뜨거운 쪽으로 압축된 차가운 가스를 전송하는 지점에 도달합니다.. 가스가 뜨거운 쪽에 도달하면 압력이 증가하여 (1)에 설명된 바와 같이 피스톤을 바깥쪽으로 이동시켜 팽창 단계를 시작합니다.

1960년대 초에 윌리엄 T. 오하이오 주 아테네에 위치한 오하이오 대학의 빌은 크랭크 [59]메커니즘을 윤활하는 어려움을 극복하기 위해 스털링 엔진의 무료 피스톤 버전을 발명했다.기본 자유 피스톤 스털링 엔진의 발명은 일반적으로 빌에 기인하는 반면, 유사한 유형의 엔진의 독립적인 발명은 E.H.에 의해 이루어졌다. 쿡 야르버러와 C.영국 AERE의 [60]Harwell Laboratories의 West는 또한 중요한 초기 공헌을 했고 많은 새로운 프리 피스톤 구성을 특허 [61][62]취득했습니다.

자유롭게 움직이는 부품을 사용하는 스털링 사이클 기계에 대한 최초의 언급은 [63]1876년 영국의 특허 공개입니다.이 기계는 냉장고(즉, 역 스털링 사이클)로 구상되었습니다.무료 피스톤 스털링 장치를 이용한 최초의 소비자 제품은 2004년 [citation needed]일본 트윈버드 주식회사(주)가 미국에서 콜먼이 내놓은 휴대용 냉장고였다.

플랫 엔진

플랫 스털링 엔진 컷어웨이: 10 - 핫 실린더. 11 - 핫 실린더. 12 - B 부피의 핫 실린더. 17 - 웜 피스톤 다이어프램. 18 - 가열 매체. 19 - 피스톤 로드. 20 - 콜드 실린더. 21 - 콜드 실린더. 22 - B 부피의 콜드 실린더 27 - 콜드 피스톤 다이어프램 28 - 냉각수 매체.30 - 작동 실린더. 31 - 작동 실린더. 32 - B 부피의 작동 실린더. 37 - 작동 피스톤 다이어프램. 41 - 재생기 질량의 A 부피.42 - B 부피의 재생기 질량, 48 - 축열조, 50 - 단열재60 - 발전기 63 - 자기 회로64 - 전기 권선. 70 - 온수 실린더와 작동 실린더를 연결하는 채널.

평면 복동 스털링 엔진의 설계는 디스플레이서의 핫 피스톤과 콜드 피스톤의 면적이 [citation needed]서로 다르다는 점을 이용하여 디스플레이서의 구동을 해결합니다.

드라이브는 기계적인 [citation needed]변속기를 사용하지 않고 이를 수행합니다.다이어프램을 사용하면 마찰이 없어지고 [citation needed]윤활유가 필요하지 않습니다.

디스플레이서가 작동 중일 때 제너레이터가 작동 중인 피스톤을 한계 위치에 유지하므로 엔진 작동 사이클이 이상적인 스털링 [citation needed]사이클에 근접합니다.열교환기 면적 대 기계의 부피 비율은 평면 [citation needed]설계 구현에 따라 증가합니다.

작동 실린더의 평면 디자인은 등온에 [citation needed]가까운 팽창 및 압축의 열 프로세스에 가깝습니다.

단점은 온기와 냉기 [64]사이의 단열 영역이 크다는 것입니다.

열음향 사이클

열음향 소자는 스털링 소자와 매우 다르지만, 각 작동 가스 분자가 이동하는 개별 경로는 실제 스털링 사이클을 따릅니다.이러한 장치에는 열음향 엔진과 열음향 냉장고가 포함됩니다.고진폭 음향 정재파는 스털링 파워 피스톤과 유사한 압축 및 팽창을 일으키는 반면, 동상 음향 이동파는 스털링 디스플레이서 피스톤과 유사한 온도 구배를 따라 변위를 일으킵니다.따라서 열음향 장치에는 일반적으로 베타 또는 감마 스털링에서 [citation needed]볼 수 있는 디스플레이서가 없습니다.

기타 개발

NASA는 핵붕괴로 가열된 스털링 엔진을 태양계 [65]외부로의 확장 임무에 사용할 것을 고려해왔다.2018년, NASA와 미국 에너지부는 "스털링 기술을 이용한 킬로파워 원자로"의 약자인 크루스티라고 불리는 새로운 유형의 원자로를 성공적으로 테스트했다고 발표했다. 크루스티는 우주선과 탐사선, 그리고 외계 [66]야영지에 전력을 공급할 수 있도록 설계되었다.

케이블 텔레커뮤니케이션 엔지니어 협회가 주최한 2012 케이블텍 엑스포에서 딘 케이먼은 타임워너 케이블 최고기술책임자 마이크 라조이와 함께 무대에 올라 회사 Deka Research와 SCTE 간의 새로운 이니셔티브를 발표했습니다.Kamen은 그것을 스털링 [67][68]엔진이라고 부른다.

운용상의 고려 사항

초소형 스털링 엔진의 컴프레서와 디스플레이서가 작동하는 모습을 보여주는 비디오

크기와 온도

0.5K [69]미만의 온도 차이로 작동하는 초저출력 엔진이 제작되었습니다. 디스플레이서형 스털링 엔진에는 피스톤과 디스플레이서가 각각 하나씩 있습니다.엔진을 작동시키려면 큰 실린더의 상단과 하단의 온도 차이가 필요합니다.저온차이(LTD) 스털링 엔진의 경우 손과 주변 공기의 온도 차이가 [70]엔진을 작동시키기에 충분할 수 있습니다.디스플레이서형 스털링 엔진의 파워 피스톤은 밀폐되어 있으며 내부의 가스가 팽창할 때 위아래로 움직이도록 제어됩니다.반면, 디스플레이서는 피스톤이 위아래로 움직일 때 엔진의 고온 섹션과 저온 섹션 사이에서 공기가 자유롭게 이동할 수 있도록 매우 느슨하게 장착됩니다.디스플레이서는 위아래로 움직이며 디스플레이서 실린더에 있는 대부분의 가스가 가열되거나 [citation needed]냉각됩니다.

스털링 엔진, 특히 작은 온도 차이로 작동하는 엔진은 출력량에 비해 상당히 큽니다(즉, 비출력이 낮습니다).이는 주로 가스 대류의 열 전달 계수 때문에 일반적인 냉열 교환기에서 얻을 수 있는 열 유속을 약 500W/(m2·K)로 제한하고 열 교환기에서 얻을 수 있는 열 유속을 약 500–5000W/(m2·K)[71]로 제한합니다.내연 엔진에 비해 엔진 설계자는 작동 중인 가스로 열을 전달하거나 배출하는 것이 더 어렵습니다.열효율성 때문에 필요한 열전달은 온도차가 낮을수록 증가하며, 1kW 출력에 대한 열교환기 표면(및 비용)은 (1/2ΩT)과 함께 증가합니다.따라서 매우 낮은 온도 차이 엔진의 구체적인 비용은 매우 높습니다.온도 차이 및/또는 압력을 높이면 스털링 엔진이 더 많은 출력을 낼 수 있습니다. 열 교환기가 증가된 열 부하에 맞게 설계되어 필요한 대류 열 플럭스를 전달할 수 있습니다.

스털링 엔진은 즉시 시동을 걸 수 없습니다. 말 그대로 워밍업이 필요합니다.이는 모든 외부 연소 엔진에 해당하지만 스털링의 예열 시간은 증기 엔진과 같은 다른 유형의 엔진보다 더 길 수 있습니다.스털링 엔진은 정속 엔진으로 가장 적합합니다.

스털링의 출력은 일정하기 때문에 조정하기 위해서는 신중한 설계와 추가 메커니즘이 필요할 수 있습니다.일반적으로 출력의 변화는 엔진의 변위를 변경하거나(종종 스와시플레이트 크랭크축 배치를 통해), 작동 오일의 양을 변경하거나 피스톤/디스펜서 위상각을 변경하거나, 경우에 따라서는 단순히 엔진 부하를 변경함으로써 이루어집니다.이 특성은 지속적인 출력이 실제로 바람직한 하이브리드 전기 추진 또는 "기본 부하" 유틸리티 발전에서 단점이 되지 않습니다.

가스 선택

속도와 출력을 보여주는 벤치 탑 스털링 엔진 비디오

가스는 열용량이 낮아야 하며, 따라서 일정량의 열이 전달되면 압력이 크게 증가합니다.이 문제를 고려할 때 헬륨은 열 용량이 매우 낮기 때문에 최고의 가스가 될 것입니다.공기는 작동 가능한 [72]유체이지만 고압 공기 엔진의 산소는 윤활유 [73]폭발로 인한 치명적인 사고를 일으킬 수 있습니다.이러한 사고 이후 필립스는 폭발 위험을 피하기 위해 다른 가스 사용을 개척했다.

  • 수소의 낮은 점도와 높은 열 전도율은 엔진이 다른 가스보다 더 빨리 달릴 수 있기 때문에 수소를 가장 강력한 작동 가스로 만듭니다.그러나 수소흡수로 인해 특히 고온에서 이 저분자량 가스와 관련된 높은 확산률을 감안할 때 H는 히터의 고체 금속을 통해 누출된다2.탄소강을 통한 확산은 실용적이기에는 너무 높지만 알루미늄이나 스테인리스강과 같은 금속의 경우 허용 가능한 낮은 수준일 수 있습니다.특정 세라믹은 또한 확산을 크게 감소시킨다.밀폐 압력 용기 씰은 손실된 가스를 교체하지 않고 엔진 내부의 압력을 유지하기 위해 필요합니다.고온차동(HTD) 엔진의 경우 고압 작동 유체를 유지하기 위해 보조 시스템이 필요할 수 있습니다.이러한 시스템은 가스 저장 병 또는 가스 발생기가 될 수 있습니다.수소는 물의 전기 분해, 적색 고온 탄소 기반 연료에 대한 증기 작용, 탄화수소 연료의 가스화 또는 금속에 대한 산의 반응에 의해 생성될 수 있습니다.수소는 또한 금속의 취약성화를 야기할 수 있다.수소는 가연성 가스이며 엔진에서 방출될 경우 안전상의 문제가 됩니다.
  • 미국 정부 연구소를 위해 개발된 엔진과 같이 기술적으로 진보된 스털링 엔진은 헬륨을 작동 가스로 사용합니다. 헬륨은 수소의 효율과 전력 밀도에 가깝게 기능하며 재료 격납 문제도 적기 때문입니다.헬륨은 불활성이기 때문에 인화성이 없습니다.헬륨은 비교적 비싸기 때문에 병에 든 가스로 공급되어야 한다.한 테스트에서는 GPU-3 [74]스털링 엔진에서 수소가 헬륨(상대 24%)보다 5%(절대) 더 효율적인 것으로 나타났습니다.앨런 오르간 연구원은 잘 설계된 공기 엔진은 이론적으로 헬륨이나 수소 엔진만큼 효율적이지만 헬륨과 수소 엔진은 단위 부피당 몇 배 더 강력하다는 것을 증명했다.
  • 일부 엔진은 작동 유체로 공기 또는 질소를 사용합니다.이러한 가스는 전력 밀도가 훨씬 낮지만(엔진 비용이 증가), 사용이 더 편리하고 가스 배기열 및 공급 문제를 최소화합니다(비용 절감).가연성 물질 또는 윤활유와 같은 물질과 접촉하는 압축 공기를 사용하면 압축 공기에는 높은 산소 부분 압력이 포함되어 있기 때문에 폭발 위험이 있습니다.그러나 산화 반응을 통해 공기 중에서 산소를 제거하거나 병에 든 질소를 사용할 수 있는데, 이는 거의 불활성이고 매우 안전합니다.
  • 공기보다 가벼운 다른 가스로는 메탄과 암모니아가 있다.

가압

대부분의 고출력 스털링 엔진에서 작동 유체의 최소 압력과 평균 압력은 모두 대기압 이상입니다.이러한 초기 엔진 가압은 펌프에 의해, 또는 압축 가스 탱크에서 엔진을 충전함으로써, 또는 평균 온도가 평균 작동 온도보다 낮을 때 엔진을 밀봉함으로써 실현될 수 있습니다.이 모든 방법은 열역학 사이클에서 작동 유체의 질량을 증가시킵니다.모든 열교환기는 필요한 열전달속도를 공급할 수 있는 적절한 크기를 가져야 합니다.열 교환기가 잘 설계되어 대류 열 전달에 필요한 열 플럭스를 공급할 수 있는 경우, 엔진은 첫 번째 근사치로 서부 수치와 빌 수치로 예측되는 평균 압력에 비례하여 출력을 생성합니다.실제로 최대 압력은 압력 용기의 안전 압력으로도 제한됩니다.스털링 엔진 설계의 대부분의 측면과 마찬가지로 최적화는 다변량이며 종종 상충되는 [71]요구 사항을 가지고 있습니다.가압의 어려움은 출력을 향상시키지만 증가하는 출력에 비례하여 필요한 열이 증가한다는 것입니다.압력이 증가하면 엔진 벽의 두께도 증가해야 하므로 가압 시 이러한 열 전달이 점점 더 어려워지고, 이는 다시 [citation needed]열 전달에 대한 저항을 증가시킵니다.

윤활제 및 마찰

최신 스털링 엔진 및 제너레이터 세트로, 55kW의 전기 출력을 제공하며, 열과 동력을 결합할 수 있습니다.

고온 및 압력에서 공기 가압 크랭크케이스 또는 고온 공기 엔진의 작동 가스 내의 산소가 엔진의 윤활유와 결합되어 폭발할 수 있습니다.이런 [73]폭발로 적어도 한 명이 사망했다.윤활제는 열 교환기, 특히 재생기를 막히게 할 수도 있습니다.이러한 이유로 설계자들은 특히 슬라이딩 씰의 경우 가동 부품에 가해지는 수직력이 낮은 비윤활성의 저마찰 재료(예: 룰론 또는 흑연)를 선호합니다.일부 설계에서는 밀봉된 피스톤에 다이어프램을 사용하여 표면이 완전히 미끄러지지 않도록 합니다.이는 스털링 엔진이 [citation needed]내연기관보다 유지 보수 요건이 낮고 수명이 긴 요인 중 일부입니다.

효율성.

이론적인 열 효율은 카르노 사이클의 경우와 같습니다.즉, 모든 열 엔진이 달성할 수 있는 최고 효율입니다.그러나 일반적인 원리를 설명하는 데 유용하지만 이상적인 사이클은 실제 스털링 [75]엔진과 크게 다릅니다.공학 열역학에 관한 많은 표준 서적에서 무분별한 사용이 [76][77]스털링 엔진의 연구에 전반적으로 해를 끼쳤다고 주장되어 왔다.

스털링 엔진은 내연기관의 전형적인 전체 효율을 달성할 수 없으며, 열 효율이 주요 제약 사항입니다.내연 중에 온도는 단기간 동안 약 1500°C~1600°C에 도달하여 스털링 엔진보다 열역학 사이클의 평균 열 공급 온도가 높아집니다.스털링 엔진처럼 그렇게 높은 온도에서 열을 공급하는 것은 열손실이 크지 않고 재료의 [citation needed]열변형과 관련된 문제 없이 고온에서 연소로 열을 전도할 수 없기 때문이다.

스털링 엔진은 저소음 작동이 가능하며 거의 모든 열원을 사용할 수 있습니다.열 에너지원은 오토 사이클 또는 디젤 사이클 엔진과 같이 내연에 의해 생성되지 않고 스털링 엔진 외부에서 생성됩니다.이러한 유형의 엔진은 현재 동등한 증기 [78][79]엔진보다 더 효율적이고 안전한 Micro Combined Heat and Power(CHP) 장치의 핵심 구성 요소로 주목받고 있습니다.단, 전력 대 중량비가 [80]낮기 때문에 [citation needed]공간이나 무게가 중요하지 않은 정적 설치에 더 적합합니다.

다른 실제 문제는 대류 열 전달 및 점성 흐름(마찰)의 한계로 인해 실제 엔진의 효율을 저하시킵니다.또한 실용적이고 기계적인 고려사항도 있다. 예를 들어, 이상적인 사이클을 재현하는 데 필요한 보다 복잡한 메커니즘과 작업 가스의 비이상적 특성, 열전도성, 인장 강도, 크리프, 파열 강도 및 멜과 같은 사용 가능한 재료에 의해 부과되는 한계보다 단순한 운동학적 연계가 선호될 수 있다.팅 포인트자주 발생하는 문제는 등온 팽창 및 압축이 가능한 이상적인 사이클이 실제로 스털링 엔진에 적용하기에 올바른 이상적인 사이클인지 여부입니다.C. J. 랄리스 교수는 팽창과 압축 공간이 등온 거동에 접근할 수 있는 어떤 조건도 상상하는 것은 매우 어렵고 이러한 공간을 [81]단열로 상상하는 것이 훨씬 더 현실적이라고 지적했다.팽창 및 압축 공간이 등온 열 교환기와 단열하고 완벽한 재생을 취하는 이상적인 분석은 Rallis에 의해 분석되었으며 스털링 기계에 대한 더 나은 이상적인 척도로 제시되었습니다.그는 이 사이클을 '의사-스털링 사이클' 또는 '이상적 단열 스털링 사이클'이라고 불렀다.이 이상적인 사이클의 중요한 결과는 카르노 효율을 예측하지 못한다는 것입니다.이 이상적인 사이클의 또 다른 결론은 실제 기계에서 관찰되는 특징인 낮은 압축률에서 최대 효율이 발견된다는 것입니다.단독 작품에서는 T.Finkelstein은 또한 스털링 기계의[82] 분석에서 단열 팽창과 압축 공간을 가정했다.

이상적인 스털링 사이클은 다른 열 엔진과 마찬가지로 현실에서는 달성할 수 없습니다.스털링 기계의 효율은 환경 온도와도 관련이 있습니다. 즉, 날씨가 더 서늘할수록 효율이 높아지므로 이러한 유형의 엔진은 기후가 따뜻한 곳에서는 매력이 떨어집니다.다른 외연 기관과 마찬가지로 스털링 엔진은 연료 연소 이외의 열원을 사용할 수 있습니다.예를 들어, 태양열 스털링 엔진의 다양한 디자인이 개발되었습니다.

내연기관과의 비교

내연 엔진과 달리 스털링 엔진은 재생 가능한 열원을 보다 쉽게 사용할 수 있으며, 유지보수가 적을수록 더 조용하고 안정적입니다.이러한 고유한 이점을 중시하는 애플리케이션, 특히 생성되는 단위 에너지당 비용이 단위 전력당 자본 비용보다 더 중요한 경우에 적합합니다.스털링 엔진은 최대 100kW까지 [83]비용 경쟁력이 있습니다.

스털링 엔진은 현재 같은 출력의 내연기관에 비해 자본비용이 높고 일반적으로 더 크고 무겁다.그러나 대부분의 [84]내연기관보다 효율적입니다.유지 보수 요건이 낮기 때문에 전체적인 에너지 비용은 동등합니다.열효율도 (소형 엔진의 경우) 15%에서 30%[83]까지 비슷합니다.마이크로-CHP와 같은 용도에서는 내연기관보다 스털링 엔진이 선호되는 경우가 많습니다.기타 응용 분야로는 내연기관(태양광 에너지 등)과 양수, 우주인, 풍부한 에너지원으로부터의 발전, 농업폐기물 등 바이오매스, 가정폐기물 등 기타 폐기물 등이 있다.그러나 스털링 엔진은 일반적으로 자동차 엔진만큼 가격 경쟁력이 없습니다. 왜냐하면 높은 단위 출력 비용과 낮은 출력 [citation needed]밀도 때문입니다.

기본 분석은 폐쇄형 슈미트 [85][86]분석에 기초한다.

스털링 엔진의 장점은 내연 엔진에 비해 다음과 같습니다.

  • 스털링 엔진은 연소에 의해 생산되는 것이 아니라 사용 가능한 모든 열원에서 직접 작동할 수 있기 때문에 태양, 지열, 생물학적, 핵 소스의 열 또는 산업 공정의 폐열로 작동할 수 있습니다.
  • 연속 연소 프로세스를 사용하여 열을 공급할 수 있으므로 왕복 내연기관의 간헐 연소 프로세스와 관련된 방출을 줄일 수 있다.
  • 일부 유형의 스털링 엔진은 엔진의 냉각면에 베어링과 씰이 있어 다른 왕복식 엔진 유형에 비해 윤활유가 덜 필요하고 수명이 더 깁니다.
  • 엔진 메커니즘은 어떤 면에서 다른 왕복 엔진 유형보다 단순합니다.밸브가 필요하지 않으며, 버너 시스템은 비교적 단순할 수 있습니다.크러드 스털링 엔진은 일반적인 가정용 [87]자재를 사용하여 만들 수 있습니다.
  • 스털링 엔진은 내부 압력을 설계 압력에 가깝게 유지하는 단상 작동 유체를 사용하기 때문에 적절하게 설계된 시스템에서는 폭발 위험이 낮습니다.이에 비해 증기 엔진은 2상 기액 작동 유체를 사용하기 때문에 과압 완화 밸브의 결함으로 인해 폭발이 발생할 수 있습니다.
  • 경우에 따라서는 작동 압력이 낮기 때문에 경량 실린더를 사용할 수 있습니다.
  • 그것들은 공기 공급 없이 조용하게 작동하도록 만들어질 수 있으며, 잠수함에서 공기에 의존하지 않는 추진력을 사용할 수 있다.
  • 따뜻한 날씨에서는 빠르게 시작되지만 추운 날씨에서는 그렇지 않은 내연과 대조적으로, 그들은 쉽게 시작하고 추운 날씨에서는 더 효율적으로 작동합니다.
  • 펌핑에 사용되는 스털링 엔진은 물이 압축 공간을 냉각하도록 구성할 수 있습니다.이것은 찬물을 퍼올릴 때 효율을 높인다.
  • 그들은 매우 유연하다.겨울에는 CHP(열과 전력의 조합)로, 여름에는 냉각기로 사용할 수 있습니다.
  • 폐열은 내연기관의 폐열에 비해 쉽게 수집되므로 스털링 엔진은 이중 출력 열 및 동력 시스템에 유용합니다.
  • 1986년 NASA는 스털링 자동차 엔진을 제작하여 쉐보레 셀레브리티에 장착하였다.연비는 45% 향상되었고 배출량은 크게 감소했습니다.가속(출력 응답)은 표준 내연 기관과 동등했습니다.Mod II로 명명된 이 엔진은 스털링 엔진이 무겁고, 비싸고, 신뢰할 수 없으며,[88] 성능 저하를 나타낸다는 주장도 무효화시킵니다.촉매변환기, 머플러 및 잦은 오일 교환은 [88]필요하지 않습니다.

스털링 엔진의 단점은 내연 엔진에 비해 다음과 같습니다.

  • 스털링 엔진 설계에는 열 입력 및 열 출력을 위한 열 교환기가 필요하며, 이 열 교환기에는 작동 유체의 압력이 포함되어 있어야 하며, 압력은 엔진 출력에 비례합니다.또한 팽창측 열교환기는 종종 매우 높은 온도에 있기 때문에 재료는 열원의 부식 효과에 저항해야 하며 크리프가 낮아야 합니다.일반적으로 이러한 재료 요구사항은 엔진 비용을 상당히 증가시킵니다.고온 열교환기의 재료 및 조립 비용은 일반적으로 총 엔진 [73]비용의 40%를 차지합니다.
  • 모든 열역학 사이클에는 효율적인 작동을 위해 큰 온도 차이가 필요합니다.외연기관에서는 히터 온도가 항상 팽창 온도와 같거나 초과합니다.이는 히터 재료에 대한 야금 요구사항이 매우 까다롭다는 것을 의미합니다.이는 가스터빈과 유사하지만 엔진 또는 디젤 엔진과는 대조적입니다. 이 엔진에서는 입력 열원이 엔진을 통해 전도되지 않기 때문에 엔진 재료가 작동 가스의 평균 온도에 가깝게 작동하기 때문에 팽창 온도가 엔진 재료의 야금 한계를 훨씬 초과할 수 있습니다.스털링 사이클은 실제로 달성할 수 없습니다.스털링 머신의 실제 사이클은 이론적인 스털링 사이클보다 효율이 낮습니다.또, 주변 온도가 온화한 스털링 사이클의 효율은 낮은 반면, 북방의 겨울과 같은 서늘한 환경에서 최고의 결과를 얻을 수 있습니다.
  • 열효율을 최대화하기 위해 냉각수 온도를 가능한 낮게 유지하므로 폐열의 방산이 특히 복잡합니다.이로 인해 라디에이터의 크기가 커져 포장이 어려워질 수 있습니다.이는 재료비와 더불어 스털링 엔진을 자동차 원동력으로 채택하는 것을 제한하는 요인 중 하나입니다.선박 추진 및 고정식 마이크로제너레이션 시스템과 같은 기타 용도에서는 열과 전력(CHP)을 조합하여 사용하는 고출력 밀도가 [40]필요하지 않습니다.

적용들

주요 기사:스털링 엔진의 용도
SES의 접시 스털링

스털링 엔진의 적용 범위는 난방 및 냉방에서 수중 동력 시스템에 이르기까지 다양합니다.스털링 엔진은 가열 또는 냉각을 위한 히트 펌프로 역기능할 수 있습니다.다른 용도로는 열과 전력의 결합, 태양광 발전, 스털링 극저온 냉각기, 히트 펌프, 해양 엔진, 저출력 [89]모델 항공기 엔진, 저온 차이 엔진이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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