스털링 사이클

Stirling cycle
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Carnot heat engine 2.svg
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이 기사는 단조로운 스털링 사이클에 관한 것이다. 이상적인 스털링 사이클은 스털링 엔진 § 이론을 참조하십시오.
참고 항목: 스털링 엔진의 응용

스털링 사이클은 스털링 장치의 일반 클래스를 설명하는 열역학 사이클이다. 여기에는 엔지니어인 동생의 도움을 받아 1816년 로버트 스털링이 발명·개발·특허한 오리지널 스털링 엔진이 포함된다.[1]

이상적인 오토와 디젤 주기는 되돌릴 수 없는 이소 열 추가 및 열 방출 과정 동안 유한한 온도 차이를 통한 열 전달을 포함하기 때문에 완전히 되돌릴 수 없다. 불가역성은 이러한 사이클의 열 효율을 동일한 온도 한계 내에서 작동하는 카르노 엔진의 열 효율보다 낮게 만든다. 등온 열 추가 및 열 방출 프로세스를 특징으로 하는 또 다른 사이클은 스털링 사이클로, 카노트 사이클에서 특징지어지는 두 개의 등방성 프로세스를 두 개의 일정한 체적 재생 프로세스로 대체하는 카노트 사이클의 변형판이다.

이 사이클은 역회전성이 있어 기계적 동력이 공급되면 냉난방용 열펌프, 극저온 냉방용 열펌프 기능을 할 수 있다. 이 사이클은 기체 작동 유체를 가진 폐쇄 재생 사이클로 정의된다. "폐쇄 사이클"은 작동 유체가 열역학 시스템 내에 영구적으로 포함되어 있음을 의미한다. 이것은 또한 엔진 소자를 외부 열 엔진으로 분류한다. "재생"이란 장치의 열효율을 높이는 재생기라는 내부 열교환기를 사용하는 것을 말한다.

이 사이클은 압축, 열 첨가, 팽창, 열 제거의 네 가지 주요 프로세스가 있다는 점에서 대부분의 다른 열 사이클과 동일하다. 그러나 이러한 과정은 별개의 것이 아니라 전환이 겹친다.

스털링 사이클은 190년 넘게 많은 전문가들의 분석을 거역해 온 고도로 발전된 과목이다. 사이클을 설명하려면 고도의 열역학 기술이 필요하다. 이스라엘 우리엘리 교수는 다음과 같이 쓰고 있다. "...슈미트 사이클과 같은 다양한 '이상적인' 사이클은 물리적으로 실현 가능하지도 않고 스털링 사이클을 대표하지도 않는다."[2]

재생기의 해석적 문제(Stirling cycle의 중심 열 교환기)는 Jakob에 의해 "공학에서 가장 어렵고 관련된 것 중"으로 평가된다.[3][4]

이상화된 스털링 사이클 열역학

이상적인 스털링 사이클을 나타내는 압력/볼륨 그래프. 스털링 사이클(예: 스털링 엔진)의 실제 적용에서 이 사이클은 준엘리틱이다.

이상화된 스털링[5] 사이클은 작동 유체에 작용하는 네 가지 열역학 프로세스로 구성된다(오른쪽 다이어그램 참조).

  1. 1-2 등온열첨가(팽창)
  2. 2-3 Isochoric 열제거(정수 부피).
  3. 3-4 등온열제거(압축)
  4. 4-1 Isochoric 열 첨가(정수 부피).

피스톤 운동 변화

4상 스털링 사이클의 모델

대부분의 열역학 교과서는 네 가지 과정으로 구성된 매우 단순한 형태의 스털링 사이클을 기술하고 있다. 이것은 "이상화된" 모델이고, 반드시 최적화된 사이클이 아니기 때문에 "이상적인 스털링 사이클"이라고 알려져 있다. 이론적으로 "이상적인 사이클"은 높은 순작업 출력을 가지고 있지만, 다른 사이클이 더 단순하거나 베어링과 다른 구성 요소에 대한 피크 응력을 감소시키기 때문에 부분적으로는 실용적 적용에서는 거의 사용되지 않는다. 편의를 위해 설계자는 기계적 연결 메커니즘과 같은 시스템 역학으로 지시된 피스톤 운동을 사용하도록 선택할 수 있다. 어쨌든, 효율성과 사이클 파워는 이상화된 사례의 실제 구현에 거의 못지않다. 일반적인 피스톤 크랭크 또는 "키네마틱" 설계의 연결은 흔히 거의 시누소이드 피스톤 운동을 야기한다. 어떤 설계는 피스톤이 이동의 어느 한 극단에서 "잘못"되게 할 것이다.

잘 알려진 "크로스 요크"와 같은 많은 키네마틱 연결은 거의 시누소이드 운동을 보일 것이다. 그러나 "롬브릭 드라이브"와 같은 다른 링크들은 더 많은 비신선 운동을 보일 것이다. 이상적인 주기는 다소 높은 피스톤 가속과 작동 유체의 점성이 높은 펌핑 손실이 필요하기 때문에 합병증을 유발한다. 그러나 최적화된 엔진에서 재료 응력과 펌핑 손실은 "이상 사이클"에 근접하거나 높은 사이클 속도로 접근하는 경우에만 견딜 수 없을 것이다. 다른 문제에는 특히 등온 공정에 필요한 열 전달 시간이 포함된다. 사이클이 "이상적 사이클"에 근접하는 엔진에서, 이러한 문제를 해결하기 위해 사이클 속도를 줄여야 할 수 있다.

자유 피스톤 소자의 가장 기본적인 모델에서, 운동학은 단순한 조화 운동을 야기할 것이다.

부피 변형

베타 엔진과 감마 엔진에서 일반적으로 피스톤 운동 사이의 위상 각도 차이는 부피 변동의 위상 각도와 같지 않다. 그러나 알파 스털링에서도 그들은 같다.[6] 이 글의 나머지 부분은 공선형 피스톤이 있는 알파 스털링에서와 같이 사인 부피 변화를 가정하여 "반대되는 피스톤" 알파 소자로 명명되었다.

주의사항: 이 글의 많은 부정확성 중에서, 위의 공동선형 알파 구성을 참조한다. 그러한 구성은 베타일 것이다. 또는 받아들일 수 없을 정도로 비효율적인 연계 시스템을 가진 알파일 것이다.

압력 대 체적 그래프

이러한 유형의 플롯은 거의 모든 열역학 사이클의 특성을 나타내기 위해 사용된다. 정현상 부피 변동의 결과는 그림 1에 나타낸 준-엘리피셜 형태 사이클이다. 이상화된 사이클에 비해, 이 사이클은 대부분의 실제 스털링 엔진의 보다 현실적인 표현이다. 그래프의 네 점은 크랭크 각도를 도 단위로 나타낸다.[7]

Figure 1: Pressure vs volume plot, with four points labeled in crank angle degrees

단열 스털링 사이클은 이상적인 스털링 사이클과 유사하지만, 네 가지 열역학 프로세스는 약간 다르다(위의 그래프 참조).

  • 180° ~ 270°, 의사 등온 팽창. 팽창 공간은 외부로 가열되고 가스는 거의 등온 팽창을 거친다.
  • 270° ~ 0°, 거의 부피(또는 등온도 또는 등온도) 열 제거. 가스는 재생기를 통과하여 가스를 냉각시키고, 다음 주기에 사용하기 위해 열을 재생기에 전달한다.
  • 0° ~ 90°, 의사 등온 압축. 압축 공간은 중간 냉각되어 있어 가스는 거의 등온 압축을 거친다.
  • 90°~180°, 근사량(비등계 또는 이소열) 열 추가. 압축된 공기는 재생기를 통해 다시 흘러나와 가열된 팽창 공간으로 가는 도중에 열을 흡수한다.

스털링 열음향 엔진을 제외하고, 어떤 가스 입자도 실제로 완전한 사이클을 통해 흐르지 않는다. 따라서 이 접근방식은 사이클의 추가 분석에 적용할 수 없다. 단, 개요를 제공하고 사이클 작업을 표시한다.

입자/질량 운동

그림 2는 실제 스털링 엔진을 통해 가스가 어떻게 흐르는지 나타내는 줄무늬 선을 보여준다. 수직 색상은 엔진의 볼륨을 묘사한다. 왼쪽에서 오른쪽으로 팽창(전원) 피스톤에 의해 쓸려 나가는 부피, 간극량(피스톤이 고온 열교환기에 닿지 않도록 하는 것), 히터, 재생기, 냉각기, 냉각기 간극량, 압축 피스톤에 쓸린 압축 부피 등이다.

Figure 2
알파형 스털링. 애니메이션 버전.

열교환기 압력강하

"펌핑 손실"이라고도 하며, 그림 3에 표시된 압력 강하는 열 교환기를 통한 비스코스 흐름으로 인해 발생한다. 빨간색 선은 히터를 나타내고, 녹색은 재생기, 파란색은 냉각기를 나타낸다. 열교환기를 적절히 설계하기 위해서는 다변량 최적화를 통해 허용가능한 흐름손실을 가진 충분한 열전달을 확보해야 한다.[6] 여기에 나타난 유량 손실은 비교적 낮은 편이며, 다음 이미지에서는 거의 보이지 않는데, 이는 사이클의 전반적인 압력 변화를 보여줄 것이다.

Figure 3: Heat exchanger pressure drop

압력 대 크랭크 각도

그림 4는 비이상 열 교환기를 사용한 "유아적 시뮬레이션"의 결과를 보여준다. 재생기의 압력 강하는 사이클의 전체 압력 변화에 비해 매우 낮다는 점에 유의하십시오.

Figure 4: Pressure vs crank angle plot

온도 대 크랭크 각도

Figure 5: Temperature vs crank angle plot

그림 5는 실제 열 교환기의 단열 특성을 나타낸다. 직선은 열교환기의 고체 부분의 온도를 나타내며, 곡선은 각 공간의 기체온도를 나타낸다. 가스 온도 변동은 열 전달 속도가 제한적인 비이상 열 교환기와 함께 엔진의 압축 및 팽창의 영향에 의해 발생한다. 기체 온도가 열교환기 온도보다 위아래로 벗어날 때 열역학적 손실은 "열전달 손실" 또는 "히스테리시스 손실"로 알려져 있다. 그러나 열교환기는 전체 시스템의 실제 열효율이 이론적 한계치의 절반 정도에 불과하더라도 실제 사이클이 효과적일 수 있을 만큼 충분히 작동한다.

누적 열 및 작업 에너지

Figure 6: Heat and work energy vs crank angle

그림 6은 알파형 스털링 엔진 데이터를 그래프로 나타낸 것이며, 여기서 'Q'는 열에너지를, 'W'는 작업에너지를 나타낸다. 파란색 점선은 압축공간의 작업 산출물을 보여준다. 흔적이 줄어들면서 가스가 압축되면서 작업이 이뤄진다. 사이클의 팽창 과정 동안, 트레이스의 상향 이동에 의해 반사되는 것처럼 압축 피스톤에 실제로 어떤 작업이 이루어진다. 사이클이 끝날 때 이 값은 음수가 되어 압축 피스톤에 작업 순 입력이 필요함을 나타낸다. 파란색 고체 선은 냉각기 열교환기에서 나오는 열을 보여준다. 쿨러로부터의 열과 압축 피스톤으로부터의 작업은 동일한 사이클 에너지를 가진다. 이는 재생기의 제로넷 열전달(단색 녹색선)과 일치한다. 예상대로, 난방기와 팽창 공간은 모두 양의 에너지 흐름을 가진다. 검은 점선은 사이클의 순작업 산출량을 나타낸다. 이 추적에서, 사이클은 그것이 시작한 것보다 더 높게 끝나, 열 엔진이 열에서 일로 에너지를 변환한다는 것을 나타낸다.

참고 항목

참조

  1. ^ Robert Sier (1999). Hot air caloric and stirling engines. Vol.1, A history (1st Edition (Revised) ed.). L.A. Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
  2. ^ 오르간, "재생기와 스털링 엔진", p.xxii, 우리엘리의 포어워드
  3. ^ 오르간, "재생기와 스털링 엔진" 페이지 7
  4. ^ Jakob, M. (1957) Heat Transfer II, John Wiley, 미국 뉴욕, Chapman and Hally, 영국 런던
  5. ^ A. 로마넬리 미국 물리학 저널 스털링 기계의 대체 열역학 사이클 85, 926 (2017)
  6. ^ Jump up to: a b 오르간, "재생기와 스털링 엔진"
  7. ^ 이스라엘 유리엘리(Dr. Iz), 기계공학과 부교수: 2010-06-30 웨이백 기계에 보관된 스털링 사이클 기계 분석

외부 링크