스털링 엔진의 4가지 유형

스털링 엔진의 발명은 1816년 로버트 스털링(Robert Stirling) 목사가 증기 엔진에 대한 더 안전한 대안을 만들고자 했습니다. 또한 당시에 사용 가능했던 일부 자료의 한계도 있었습니다.

스털링 엔진의 작동 원리는 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 데 사용되는 다른 열 엔진과 동일합니다. 스털링 엔진의 본질적인 특징은 폐쇄 사이클과 외부 연소 엔진이라는 점인데, 이는 엔진이 고정된 양의 작동 유체, 일반적으로 공기 및 일부 기타 가스를 사용한다는 것을 의미하며, 이는 밀봉된 용기와 열에 둘러싸여 있습니다. 엔진에서 소비되는 것은 외부에서 제공되며 이 기능을 통해 엔진은 화석 연료, 뜨거운 공기, 태양열, 화학 물질, 원자력 등을 포함할 수 있는 모든 열원에서 작동할 수 있습니다.

또한 이러한 엔진은 열원과 방열판 사이의 온도 차이가 7°C만큼 낮을 수 있는 매우 낮은 온도 차이에서도 작동할 수 있으므로 신체의 열에 의해 동력을 공급받을 수 있습니다.

 

스털링 엔진 작동 원리

스털링 엔진의 주요 작동 원리는 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축한다는 가스의 특성에 의존합니다.

가변적이거나 움직일 수 있고 한쪽 끝이 닫힌 실린더의 피스톤으로 만들어진 부피 용기에 가스가 채워지는 경우 압력이 증가하고 감소하여 피스톤이 움직이게 되고 가열 및 냉각 공정은 피스톤의 왕복 운동을 발전시켜 플라이휠과 함께 기존의 커넥팅 로드 및 크랭크축을 사용하여 회전 운동으로 변환해야 합니다.

가스의 온도가 가열 및 냉각으로 인해 변하는 비율이므로 실린더는 작동하는 피스톤 및 실린더의 큰 열 용량으로 제한되지만 이 제약은 실린더의 한쪽 끝에서 일정한 고온을 유지하고 다른 쪽 끝에서 일정한 저온을 유지함으로써 실린더의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 가스를 이동함으로써 극복할 수 있습니다. 이 조건은 디스플레이서(displacer)로 알려진 느슨한 피팅 피스톤의 도움으로 달성됩니다.

 

디스플레이서는 가스를 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동시키는 실린더 내부에서 일관되게 움직이고 디스플레이서가 계속 움직이면 디스플레이서와 실린더 벽 사이에 있는 틈 주변에서 가스가 누출되기 시작합니다. 디스플레이서는 자체적으로 전력을 생산하지 않는 반면 실린더 내에서 가스의 양을 순환시키기에 충분한 에너지만 사용합니다.

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스털링 엔진의 응용

스털링 엔진은 1930년대부터 차량 범위의 동력원으로 다양한 형태로 다양한 용도로 사용되고 있으며 75kW 이상의 엔진이 개발되었고 낮은 비동력으로 인해 초기 엔진 개발이 자동차용이더라도 스털링 엔진은 여전히 고정식 응용 분야에 더 적합합니다. 다음은 스털링 엔진의 가장 일반적으로 알려진 응용 분야 중 일부입니다.

열병합발전

스털링 엔진은 작은 열병합 및 열 낭비를 포착하기 위한 전력 설비에 사용하기에 이상적인 엔진입니다. 이 엔진 발전기는 1kW에서 10kW 사이의 전력 출력을 개발하는 데 사용되며 중앙 가열 보일러의 폐열을 최대한 활용하는 것을 목표로 하는 가정용 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용할 수 있습니다. 이 시스템의 전체 열 효율은 80%까지 가장 높을 수 있습니다.

태양광 발전

스털링 엔진 발전기는 매우 큰 태양열 어레이에 의해 포착된 열 에너지로부터 전기를 생성하는 데 사용됩니다.

 

스털링 엔진의 종류

1. 알파 구성 유형 스털링 엔진

고정된 양의 공기 및 기타 유체로 둘러싸인 두 개의 실린더가 있으며, 하나는 뜨겁고 다른 하나는 차갑습니다. 이 두 실린더 사이에서 앞뒤로 왕복합니다. 이것은 뜨거운 실린더에 있는 뜨거운 공기가 팽창하고 차가운 실린더에 있는 냉각된 공기와 상호 작용할 때 수축하기 때문에 수행됩니다. 이것은 공정에서 기계 작업을 수행하는 데 사용되는 에너지원입니다.

2. 베타 구성 유형 스털링 엔진

스털링 베타 엔진의 열역학이 알파 엔진과 매우 유사하다는 사실을 알면 놀랄 것입니다. 그러나 실제로는 물리적 구성이 서로 상당히 다릅니다.

이 엔진은 한쪽 끝에서 높게 가열되고 다른 쪽 끝에서 냉각되는 단 하나의 실린더로 구성됩니다. 이를 위해 단일 파워 피스톤이 실린더 내에서 이동하는 디스플레이서와 함께 동축으로 배열됩니다. 디스플레이서 피스톤은 팽창하는 가스로부터 어떤 종류의 힘도 받지 않고 작동 가스를 두 끝단 내에서 앞뒤로 전달하는 역할만 합니다.

3. 감마 구성 유형 스털링 엔진

감마 구성이 있는 이 엔진은 디스플레이서 피스톤에 대해 동축으로 장착된 파워 피스톤이 없는 스털링 베타 엔진의 엔진과 동일합니다.

4. 복동식 스털링 엔진(스와시 플레이트)

일관되게 작동하는 가스는 상단에서 가열되고 하단에서 냉각되는 인접한 실린더 사이에서 재생기의 도움으로 앞뒤로 이동합니다. 근처 실린더의 피스톤이 이 기능을 잘 수행하기 때문에 디스플레이서가 없는 배열이 발견되었습니다. 가스가 실린더에서 빠져나가는 것을 방지하기 위해 양쪽 끝에서 실린더를 닫아 두는 것이 중요하며 커넥팅 로드도 씰을 통해 아래쪽으로 인접한 실린더 캡으로 통과해야 합니다.