스털링 엔진

Stirling engine

실린더 속 공기를 바깥에서 데웠다 식히기만 하는데, 스털링 엔진은 어떻게 바퀴를 돌릴까요?

무슨 일이 일어났나

Science Museum 에 따르면 실린더 속 공기를 데우면 팽창해 피스톤을 밀어 움직이고, 그다음 공기를 식히면 순환이 다시 시작됩니다 — 같은 공기를 데웠다 식히기를 되풀이하는 열기관입니다.

시뮬레이터의 스털링 순환(600 K ↔ 300 K, 부피 비 2)은 한 바퀴에 1.73 kJ 의 일을 하고, 재생기를 켜면 열효율이 50.0 % 로 같은 두 온도의 카르노 한계 50.0 % 와 같습니다.

재생기를 끄면 식힐 때 버린 열을 데울 때 다시 쓰지 못해, 뜨거운 쪽에서 받아야 하는 열이 3.46 kJ 에서 9.69 kJ 로 늘고 열효율은 17.8 % 로 떨어집니다.

Science Museum 소장 모형은 로버트 스털링(Robert Stirling)의 1816 년 특허(제4081 호)에 담긴 기관을 자른 복제품이고, 원래 기관은 에든버러 왕립 박물관에 있습니다.

필립스는 1938 년 무렵 스털링 엔진 연구를 시작해, 발전기를 단 공기 기관을 시험 생산으로 400 대 만들었습니다(Science Museum).

💡 생활 속 예시

따뜻한 찻잔 위에 올려 두면 천천히 바퀴가 도는 탁상용 스털링 엔진 장난감은, 찻잔 쪽과 위쪽 공기의 온도 차로 움직입니다.
햇볕에 달궈진 차 안 공기가 부풀었다가 밤에 식으며 줄어드는 것처럼, 스털링 엔진도 갇힌 같은 공기를 데우고 식히기를 되풀이합니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

뜨거운 쪽(가열부) — 바깥에서 열을 받아 실린더 속 공기를 데웁니다.
차가운 쪽(냉각부) — 공기의 열을 바깥으로 내보내 식힙니다.
디스플레이서(밀어 옮기는 피스톤) — 같은 공기를 뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이로 번갈아 옮깁니다.
파워 피스톤 — 데워져 부푼 공기에 밀려 일을 하고, 식어 줄어든 공기를 다시 누릅니다.
재생기 — 지나가는 공기의 열을 잠시 맡아 두었다 돌려주어, 버릴 열을 다음 데우기에 다시 씁니다.
플라이휠 — 회전을 이어 가며 두 피스톤을 차례에 맞춰 움직입니다.

디스플레이서가 공기를 뜨거운 쪽으로 옮기면 공기가 데워져 부풉니다.
부푼 공기가 파워 피스톤을 밀어 일을 합니다(뜨겁게 팽창).
디스플레이서가 공기를 차가운 쪽으로 옮기며, 재생기가 지나가는 공기의 열을 맡아 둡니다.
식은 공기가 줄어들어 파워 피스톤이 적은 힘으로 공기를 다시 누릅니다(차갑게 압축).
공기가 다시 뜨거운 쪽으로 갈 때 재생기가 맡아 둔 열을 돌려주고, 플라이휠의 힘으로 순환이 이어집니다.

확인된 값

로버트 스털링(Robert Stirling)의 특허 제4081 호 — 1816 년: 1816 출처
Science Museum 모형(1923-419)은 스털링 순환으로 돈 첫 열기관 가운데 하나를 자른 복제품: one of the first hot air engines 출처
원래 기관은 에든버러 왕립 박물관에 있다: Royal Museum, Edinburgh 출처
실린더 속 공기를 데우면 팽창해 피스톤을 밀어 움직인다: heated air pushes a piston 출처
그다음 공기를 식혀 순환이 다시 시작된다: cooled, cycle repeats 출처
필립스(네덜란드 에인트호번)의 스털링 엔진 연구는 1938 년 무렵 시작 — 외딴 곳의 작은 발전기용: 1938 출처
필립스 발전기 세트 — 시험 생산 400 대: 400 대 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지 [12역학02-04]

출처

이어서 보기

같은 단원 · 열역학 법칙

AD · 320×50