스털링 사이클 엔진

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배경

엔진은 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 기계입니다. 예를 들어 발전소 발전기의 구동축을 돌리기 위해 석탄을 태웁니다. 오늘날 생산되는 가장 일반적인 엔진은 가솔린 동력 자동차 엔진입니다. 다른 일반적인 엔진으로는 대형 트럭 및 일부 승용차에 사용되는 디젤 엔진, 발전소에서 전기를 생성하는 증기 터빈, 항공기를 추진하는 데 사용되는 제트 엔진, 잔디 깎는 기계와 같은 소형 기기에 동력을 공급하는 데 사용되는 2행정 가솔린 엔진이 있습니다. 이들 엔진 각각은 화석 연료를 태울 때 발생하는 열을 유용한 일로 변환합니다.

에너지는 일을 할 수 있는 능력입니다. 두 양은 관련이 있고 동일한 단위를 갖지만 에너지는 완전히 일로 변환될 수 없습니다. 예를 들어 스토브에 연료를 공급하는 데 사용되는 경우 가솔린 1갤런(3.81)에는 표준 조건에서 약 14갤런(531)의 물을 끓일 수 있는 충분한 화학 에너지가 포함되어 있습니다. 그러나 동일한 갤런의 휘발유를 휴대용 발전기(휘발유를 일로 변환한 다음 일이 전기로 변환)에 넣고 전기를 사용하여 전기 스토브에서 물을 끓인다면, 발전기의 연료가 다 떨어지기 전에 3갤런(11.4 1) 이상의 물을 끓일 수 있습니다.

전기 스토브가 휘발유 스토브만큼 물을 끓일 수 없는 이유는 엔진이 열을 일로 변환하는 데 100% 열 효율적이지 않기 때문입니다. 그렇기 때문에 가스레인지나 의류건조기는 동급 전기제품보다 작동 비용이 저렴합니다. 휴대용 발전기의 경우, 가솔린 에너지의 일부는 엔진의 배기 가스로 끝나고 일부는 발전기를 가열하는 데 낭비되고 일부는 발전기 내부의 움직이는 부품이 마찰되어 기계적 에너지를 마찰열로 변환하면서 내부적으로 낭비됩니다.

작업을 생성하기 위해 엔진에서 열이 순환하는 방식을 연구하는 과학을 그리스 therme 에서 온 열역학이라고 합니다. (열) 및 동력 (힘). 열을 일로 바꾸는 주기를 열역학적 주기라고 합니다. 가솔린 연료 자동차 엔진은 오토 사이클을 사용합니다. 디젤 연료 엔진은 디젤 사이클을 사용합니다. 증기 기관 또는 증기 발전소는 랭킨 사이클을 사용합니다. 이러한 사이클 중 어느 것도 에너지를 일로 완전히 변환하는 데 사용할 수 없습니다. 이는 모두 열을 환경으로 거부해야 하기 때문입니다. 발전소나 증기 기관은 물을 보일러로 다시 보내기 위해 증기를 응축해야 합니다(에너지 손실). 자동차 엔진은 상당한 양의 에너지를 포함하는 뜨거운 배기 가스를 배기관에서 거부해야 합니다. 열을 일로 전환하기 위한 가장 열효율적인 실제 사이클은 스털링 사이클입니다. 스털링 사이클은 모든 엔진이 생산하는 작업량에 비해 환경에 가장 적은 양의 열을 낭비(또는 거부)하기 때문에 가장 열효율이 좋은 엔진입니다. 스털링 사이클을 사용하는 엔진을 스털링 사이클 엔진이라고 합니다. 스털링 사이클 엔진은 자동차, 트럭 또는 비행기에 동력을 공급하거나 전기를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 비슷한 Otto, Diesel 또는 Rankine Cycle 엔진보다 적은 에너지 입력으로 이 작업을 수행합니다.

연혁

최초의 실용적인 엔진은 1769년 James Watt가 특허를 받은 증기 기관이었습니다. Watt의 기관은 석탄 화력 보일러의 증기를 사용하여 에너지를 일로 변환했습니다. 와트 엔진은 보일러, 실린더에 포함된 피스톤, 수냉식 응축기, 워터 펌프, 물과 증기를 엔진 주위로 이동시키는 배관 및 도관, 피스톤의 상하 운동을 변환하는 연결 장치로 구성됩니다. 구동축의 원운동으로. 구동축은 제분소에 동력을 공급하거나 탄광에서 물을 퍼 올리는 것과 같이 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

Watt의 엔진은 4단계 열역학적 사이클을 사용하여 작업을 생성했습니다. 사이클은 압력을 받는 증기가 실린더로 흐르도록 밸브를 여는 것으로 시작되었습니다. 실린더 내에서 증기가 팽창함에 따라 피스톤을 눌러 유용한 작업을 생성했습니다. 피스톤이 실린더 바닥에 도달하면 증기가 실린더로 들어갈 수 있는 밸브가 닫히고 실린더와 응축기 사이의 밸브가 열립니다. 응축기가 실린더보다 훨씬 낮은 압력에 있었기 때문에 말 그대로 증기를 응축기로 위쪽으로 빨아들였습니다. 증기가 실린더에서 빠져나감에 따라 피스톤이 증기와 함께 끌어 올려져 피스톤을 더 많은 작업을 생성할 준비가 된 시작 위치로 되돌렸습니다. 응축기의 증기가 완전히 물로 다시 바뀌면 물은 보일러로 다시 펌핑되어 다시 증기로 전환되어 사이클이 완료됩니다.

이 사이클의 열 비효율은 증기가 응축기로 보내질 때 증기에 여전히 많은 에너지가 남아 있다는 것입니다. 그러나 많은 양의 작업을 수행하지 않고는 증기를 보일러로 다시 펌핑할 수 없기 때문에 이 에너지 중 거의 재생되지 않습니다. 종종 콘덴서에서 손실되는 열보다 더 많은 일을 합니다. 증기는 보일러로 펌핑되기 전에 물로 변환되어야 합니다. 따라서 불타는 석탄에 의해 공급되는 많은 열이 손실됩니다.

증기 기관은 현대 산업 세계를 가능하게 했지만 단점이 없는 것은 아닙니다. 원시 야금과 함께 냉수와 증기가 혼합되어 보일러 폭발이 자주 발생했습니다. 그로 인한 인명 손실은 로버트 스털링 목사(당시 최고의 엔지니어 중 한 사람일 뿐만 아니라 스코틀랜드 교회의 안수 목사이기도 했다)가 공기를 사용하는 엔진을 개발하게 한 동기 요인이었습니다. 피스톤을 구동하기 위해 증기 대신. 부산물로서 스털링의 엔진은 와트의 엔진보다 열 효율이 훨씬 높았습니다. 그 이유는 주로 사이클 동안 증기가 응축될 필요가 없었기 때문입니다. 스털링의 엔진이 훨씬 더 안전했지만 당시 기술로는 몇 마력(킬로와트) 이상의 스털링 엔진을 제조할 수 없었습니다.

스털링의 엔진은 19세기에 유행한 적이 없습니다. 화석 연료는 풍부했고 야금술은 증기 기관이 더 이상 위험하지 않을 정도로 향상되었습니다. 따라서 스털링 사이클의 고유한 열 효율 이점은 보다 강력한 스털링 사이클 엔진을 구축하고자 하는 엔지니어가 직면한 중대한 설계 문제를 극복하기 위한 동기 부여가 충분하지 않았습니다. 20세기에 오토 사이클에서 작동하는 내연 기관은 스털링 사이클 엔진보다 건설 비용이 저렴하고 화석 연료가 여전히 합리적으로 가격이 책정되고 풍부하기 때문에 산업계를 지배했습니다. 그러나 엔진 설계자는 스털링 사이클이 가능한 열적으로 가장 효율적인 열역학적 사이클이라는 사실을 결코 잊지 않고 이를 활용하는 엔진을 계속 설계해 왔습니다. 오늘날 스털링 사이클 엔진은 연구실에서 생산되는 대부분의 액화 공기를 생산하는 데 사용됩니다. 그들은 또한 기상 및 첩보 위성과 스웨덴 해군에서 잠수함에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.

원자재

스털링 사이클 엔진은 다양한 금속으로 만들 수 있습니다. 엔진 블록은 일반적으로 주조 연성 철 또는 주조 알루미늄 합금(일반적으로 알루미늄 및 실리콘)으로 만들어집니다. 많은 내부 부품(크랭크 및 피스톤)도 주물 연성 철 또는 알루미늄으로 만들어지지만 더 높은 강도가 필요한 구성 요소 중 일부는 고강도 S-7 공구강으로 제작할 수 있습니다. 개스킷과 씰은 Lexan, 네오프렌 또는 천연 고무로 만들어집니다. 엔진은 작동 유체라고 하는 가압된 헬륨 또는 공기로 채워져 있습니다. 열원에서 작동 유체로 열을 전달하는 부품은 매우 높고 일정한 온도를 견뎌야 합니다. 고강도 강철 또는 탄화규소(SiC)와 같은 세라믹 복합 재료로 만들 수 있습니다.

디자인

스털링 사이클 엔진 설계는 열역학, 열 전달 분석, 진동 분석, 기계적 역학, 재료 강도 및 기계 설계의 복잡한 융합입니다. 열역학은 엔진의 크기를 정하고 작동할 온도를 선택하는 데 사용됩니다. 열 전달 분석은 열원에서 작동 유체로 열이 전달되는 방식과 이 열 흐름을 견디도록 엔진 구성 요소를 설계하는 방법을 결정하는 데 필요합니다. 부드러운 작동을 위해 엔진의 균형을 유지하기 위해 진동 분석이 사용됩니다. 개별 엔진 구성 요소의 유도 응력을 계산하려면 기계적 역학이 필요합니다. 재료의 강도 분석은 유도 응력을 견딜 수 있도록 엔진의 개별 구성요소 크기를 결정하는 데 필요합니다. 열역학적 사이클을 작동하는 엔진으로 변환하려면 기계 설계가 필요합니다. 이러한 각 설계 요구 사항에는 엄청난 양의 분석이 포함됩니다.

스털링 사이클 엔진은 증기 엔진과 유사합니다. 둘 다 피스톤과 실린더가 있으며 연료 연소가 엔진 외부에서 발생하기 때문에 둘 다 외연 기관입니다. 두 엔진의 첫 번째 주요 차이점은 스털링 사이클 엔진은 피스톤을 움직이고 일을 생성하는 유체인 작동 유체로 물과 증기 대신 가스(일반적으로 공기, 수소 또는 헬륨)를 사용한다는 것입니다. 또 다른 중요한 차이점은 스털링 사이클 엔진에는 작동 유체 팽창을 위한 하나와 작동 유체 압축을 위한 하나의 실린더 또는 공간이 있는 반면 증기 엔진에는 실린더가 하나만 있다는 것입니다. 그러나 두 엔진의 가장 중요한 차이점은 스털링 사이클 엔진은 과도한 열을 응축기에서 낭비하는 대신 다음 사이클에서 사용하기 위해 초과 열을 저장하여 열역학적 사이클을 완료한다는 것입니다. 이 때문에 스털링 사이클 엔진은 현존하는 가장 열효율이 좋은 엔진일 뿐만 아니라 열효율도 가장 높은 엔진입니다. 일반적인 자동차의 열효율은 약 30%입니다. 석탄 화력 발전소의 효율은 45%일 수 있습니다. 초대형 디젤 엔진은 열효율이 50%일 수 있습니다. 2,500°F(1,370°C)의 연소 온도에서 작동하는 스털링 사이클 엔진의 이론상 최대 열효율은 약 78%입니다. 물론, 그 누구도 열효율에 가까운 스털링 사이클 엔진을 만들 수 없었습니다. 지금까지 엔지니어들은 스털링 주기의 실현으로 인해 발생하는 중대한 설계 문제를 극복할 수 없었습니다.

증기 기관에서는 보일러에 열을 가하여 증기를 생성한 다음 피스톤을 구동하는 데 사용합니다. 스털링 사이클 엔진에서 열은 엔진의 주 실린더 외부에 적용되어 실린더 내부의 공기를 가열합니다. 이 뜨거운 공기는 팽창하여 엔진의 파워 피스톤을 구동합니다. 내연 기관에 비해 외연 기관의 주요 이점 중 하나는 외연 기관의 작동 유체가 연소 생성물에 노출되지 않으므로 훨씬 더 깨끗하게 유지된다는 것입니다. 또한 열이 빠르게 순환하는 엔진 외부에서 제어된 방식으로 생성될 수 있기 때문에 스털링 사이클 엔진은 동일한 작업 출력에 대해 내연 기관에서 생성되는 스모그를 생성하는 아산화질소의 5% 미만을 생성합니다.

스털링 사이클은 증기 기관의 랭킨 사이클과 마찬가지로 4단계로 구성됩니다. 그러나 스털링 사이클 엔진은 작동 유체를 보일러에서 실린더, 응축기, 보일러로 이동시키는 대신 고온의 팽창 공간에서 재생 열 교환기로 작동 유체를 저온의 압축 공간으로 이동시키고 역방향으로 이동합니다. 작동 유체는 엔진의 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도 차이로 인해 이동합니다. 뜨거운 면은 예를 들어 폐기물을 태워 가열됩니다. 차가운 쪽은 단순히 가열되지 않은 쪽이며 뜨거운 쪽과 관련하여 차갑습니다. 이 프로세스의 핵심은 재생 열 교환기입니다. 사이클의 한 부분에 열을 저장했다가 다음 사이클에 다시 제공하기 때문에 재생이라고 합니다.

파워 스트로크의 시작에서 시작하여 스털링 사이클의 4단계는 다음과 같습니다. 작동 유체는 모두 팽창 공간 내에 포함되고 외부 열원으로부터 열을 흡수하여 팽창하여 파워 피스톤을 누르고 파워 피스톤을 누르고 디스플레이서, 생산 작업; 파워 피스톤은 고정되어 있는 반면, 엔진의 공간 사이에서 작동 유체를 왕복하는 피스톤인 디스플레이서(displacer)는 작동하지 않고 위로 이동하여 작동 유체를 팽창 공간에서 압축 공간으로 밀어냅니다. 도중에 일로 변환되지 않은 작동 유체에 남아있는 대부분의 열은 재생 열 교환기로 전달됩니다. 작동 피스톤이 메인 실린더 상단에 고정된 상태에서 작동 유체는 압축 공간에서 원래 부피로 다시 압축되며, 이를 위해서는 손실 열원인 엔진의 차가운 쪽에 약간의 열을 거부해야 하므로 손실됩니다. 열효율; 작동 유체는 저장된 열의 많은 부분을 회수하는 재생 열 교환기를 통해 다시 전달되고, 작업을 수행하기 위해 외부 열원에 의해 다시 확장될 준비가 된 확장 공간으로 전달됩니다.

파워 피스톤과 디스플레이서의 다양한 움직임(때로는 일정한 체적 프로세스를 위해 함께 움직이고 다른 하나는 고정되어 있고 압축 및 팽창을 위해 다른 움직임)은 마름모꼴 드라이브에 의해 제어됩니다.

제조
프로세스

부품 제조

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1 엔진 블록과 피스톤은 주물로 제작됩니다. 용강 또는 알루미늄을 원하는 최종 제품과 같은 모양의 중공 주형에 붓고 냉각합니다. 스털링 사이클 엔진 블록은 두 개의 피스톤 실린더를 위한 공간이 필요합니다. 하나는 파워 피스톤용이고 ​​다른 하나는 디스플레이서 피스톤(작동 유체를 파워 실린더로 다시 이동시킴), 재생 열 교환기, 크랭크축, 연소실 및 다양한 작동 유체가 두 실린더 사이를 앞뒤로 움직이는 통로.

2 주물이 냉각되면 외부 물질이 연마됩니다. 일반적으로 경제적으로 주조할 수 없는 구멍(크기 또는 복잡한 형상으로 인해)을 드릴로 뚫고 실린더를 원하는 최종 직경으로 확대하여 엔진 블록을 마무리해야 합니다. 리밍이 필요하다 A. 열원. B. 재생 열 교환기. C. 디스플레이서. D. 작동 피스톤. E. 마름모꼴 드라이브. F. 크랭크 케이스. G. 디스플레이서 커넥팅 로드. H. 크랭크축. 1. 가스 씰. J. 작동 유체가 가열되는 확장 공간. 피스톤과 실린더 사이에 미세한 공차가 필요하기 때문입니다.

3 크랭크축 및 커넥팅 로드는 단조 또는 주조로 제조됩니다. 단조에서 빌릿이라고 하는 금속 스톡 조각이 두 개의 다이(다이는 매우 높은 강도의 공구강으로 만들어진 금형) 사이에 놓입니다. 그런 다음 무게가 몇 톤에 달하는 망치를 다이 위에 떨어뜨립니다. 빌릿은 일반적으로 단조 전에 거의 융점까지 가열됩니다. 단조 공정은 최종 형상을 얻기 위해 다른 다이를 사용하여 여러 단계로 수행될 수 있습니다. 주조는 중공 금형에 용융 금속을 채우는 방식으로 이루어집니다. 금속은 연성 철, 강철, 알루미늄 또는 합금일 수 있습니다.

4 엔진 구성 요소는 최종 공차를 달성하도록 가공됩니다. 최종 성형은 일반적으로 선반에서 수행됩니다. 크랭크 샤프트/커넥팅 로드/피스톤이 회전하는 동안 커터(가공되는 부품보다 더 단단한 재료로 만들어짐)가 회전 부품으로 전진하여 과도한 금속을 제거합니다. 최신 컴퓨터 제어 선반은 0.0001인치(0.0025mm)의 공차에 쉽게 도달할 수 있습니다. 부품이 고정되어 있고 절삭 공구가 회전하는 밀링 머신은 최종 부품에서 필요한 구멍, 슬롯 또는 채널을 절단하는 데 사용됩니다.

5 강판에 수천 개의 가는 강선을 삽입하여 재생열 교환기를 제조합니다. 작동 유체가 주 실린더에서 보조 실린더로 이동함에 따라 이 핀에 열을 전달합니다. 메인 실린더에 가장 가까운 핀이 가장 뜨겁습니다. 보조 실린더에 가장 가까운 핀이 가장 냉각됩니다.

6 모든 열원, 태양열 또는 연소는 스털링 사이클 엔진에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 소스에 관계없이 열은 작동 피스톤에 직접 인접한 챔버에 집중됩니다. 엔진의 순환은 이 열의 일부를 제거하고 작동하도록 은폐합니다. 스털링 사이클 엔진은 외연 기관이기 때문에 입력 열은 일정할 수 있습니다(연속 폭발로 생성되는 내연 기관에서 생성되는 열과 달리). 그러나 열이 일정하기 때문에 열원과 접촉하는 엔진 부품은 장기간 고온을 수용할 수 있도록 설계되어야 합니다.

조립

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7 크랭크축은 엔진 블록에 삽입되고 베어링으로 ​​유지됩니다. 베어링을 사용하면 과도한 마찰열을 발생시키지 않으면서 크랭크축이 엔진 블록 내에서 회전할 수 있습니다. 베어링은 프레스로 엔진 블록에 고정됩니다(베어링의 외경은 엔진 블록의 구멍 내경보다 약간 큼). 베어링을 엔진 블록에 밀어 넣어 베어링이 블록에 단단히 고정됩니다.

8 피스톤과 커넥팅 로드를 실린더에 떨어뜨리고 고강도 볼트와 잠금 와셔를 사용하여 아래에서 크랭크축에 부착합니다. 볼트는 미리 정해진 토크로 조입니다.

9 메인 실린더와 보조 실린더 사이를 흐르는 도관에 축열식 열교환기를 삽입하고 볼트로 고정합니다.

10 실린더 헤드는 엔진 상단에 볼트로 고정되고 액세스 커버는 엔진 하단에 볼트로 고정됩니다. 효과적인 밀봉을 제공하기 위해 엔진 블록과 덮개 사이에 개스킷이 사용됩니다. 열원실은 메인 실린더 커버에 내장되어 있습니다.

11 작동 유체가 엔진으로 펌핑됩니다. 작동 유체는 일반적으로 가압 헬륨입니다.

부산물/폐기물

스털링 사이클 엔진은 온실 가스 및 스모그를 생성하는 화학 물질의 양에 대해 내연 기관보다 훨씬 더 유용한 작업을 생성합니다. 엔진은 또한 단순히 제거하기 위해 태웠던 매립 가스와 같이 낭비될 열을 회수하는 데 사용할 수도 있습니다. 따라서 엔진은 전체적으로 환경 친화적입니다. 스털링 사이클 엔진에서 태양열을 이용하면 태양광 전지 없이 전기 그리드에 접근할 수 없는 지역에서 전기를 생산할 수 있습니다.

미래

스털링 사이클 엔진의 미래는 매우 밝습니다. 엔지니어가 작고 안정적인 스털링 사이클 엔진을 설계하고 대량 생산할 수 있다면 원자력이나 화석 연료 연소 발전소가 필요하지 않을 것입니다. 가정에서 사용되는 대부분의 전력은 구내에서 생성될 수 있습니다. 엔진은 오존층 파괴 냉매를 사용하지 않고 여름에는 집을 시원하게 하고 겨울에는 난방을 할 수 있습니다. 불행히도 스털링 사이클 엔진이 널리 사용되기 전에 극복해야 하는 심각한 실제 설계상의 어려움이 있습니다. 가장 중요한 공학적 장애물은 엔진 연소실의 설계입니다. 스털링 사이클 엔진은 매우 높은 온도에서 작동하기 때문에 연소실은 자동차 엔진을 생산하는 데 사용되는 것과 동일한 저렴한 재료로 만들 수 없습니다. 고가일 뿐만 아니라 고강도 스테인리스 스틸 또는 세라믹 복합 재료를 사용하면 엔진 제조가 매우 어렵습니다. 다른 사소하지 않은 설계 장애물에는 스털링 사이클 피스톤 동작(표준 오토 사이클 자동차 엔진에 비해 매우 복잡함)을 크랭크축 동작으로 변환하는 안정적인 기어링 메커니즘 설계 및 엔진 내에 포함된 작동 유체를 유지할 수 있는 씰 설계가 포함됩니다.

자세히 알아보기

책

Moran, Michael J. 및 Howard N. Shapiro. 열역학 공학의 기초. 4판. John Wiley and Sons, 2000.

Organ, A. J. 스털링 기계의 열역학 및 기체 역학. 캠브리지 대학 출판부, 1992.

워커, 그레이엄. 스털링 엔진. 옥스포드 대학 출판부, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel, Edward Bingham. 스털링 대안, 전력 시스템, 냉매 및 열 펌프. Gordon 및 Breach Science 출판사, 1996.

기타

그리셀, 유진. 홈 페이지. "스털링 사이클의 애니메이션." 2001년 9월 27일. .

"스털링 사이클 자주 묻는 질문." 미국 스털링 회사 웹 페이지. 2001년 9월 27일. .

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