스털링엔진 EBS 수능특강 국어영역 독서
⑴ 외연열기관인 스털링 엔진 19세기 초 증기기관은 불안정하고 위험했다. 증기기관을 가동하는 필수요인인 보일러는 종종 폭발사고를 냈다. 이에 스코틀랜드 목사였던 스털링은 증기기관을 대체하기 위해 새로운 형태의 엔진 제작에 나섰다. 1818년 당시에는 획기적인 스털링 엔진이라는 외연열기관을 개발해 보일러 사용을 불필요하게 했다. 스털링 엔진은 형태에 따라 알파 베타 감마 델타형으로 날 수 있다. 열기관 열기관이란 열(열에너지)을 일(역학적 에너지)로 바꾸어 동력을 얻는 장치를 말한다. 열기관에는 휘발유기관, 디젤기관 등과 같이 실린더 내부에서 열을 발생시켜 동력을 얻는 내열열기관과 증기기관, 스털링엔진과 같이 엔진 밖에서 열을 공급하여 동력을 얻는 외열기관이 있다.
⑵ 알파형 스털링 엔진의 구성과 작동 원리의 두 실린더와 파워 피스톤, 디스플레이 피스톤으로 구성된 알파형 스털링 엔진의 작동 원리는 다음과 같다. 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등의 작동기체를 가두어 외부에서 이를 가열하거나 냉각하면 작동기체의 팽창과 수축에 의해 피스톤이 움직여 동력이 발생하게 된다. 열을 가해 팽창된 작동기체에 바퀴를 돌리는 일을 하고, 일한 작동기체는 처음 상태로 돌아와 남은 열을 방출한다. 따라서 순환 과정이 끝난 후 내부 에너지 변화는 없다.
<알파형 스털링 엔진 순환 과정>① 파워 피스톤은 작동 기체가 팽창할 때 외부에서 일을 하고 디스플레이 피스톤 파워 피스톤과 90˙ 상태로 움직이면서 작동 기체를 고열원과 저 열원 측에 옮기는 역할을 한다. ② 스털링 엔진은 가열, 팽창, 냉각 압축의 열역학적 과정을 거친다. ③ 가열 과정에서 파워 피스톤은 거의 제자리에 있는, 디스플레이 피스톤이 왼쪽으로 이동한다. 이때 작동된 기체가 고 열원 측에 모였으며, 고열원에 의해서 가열된 압력이 높아진다. ④ 이처럼 높아진 압력 때문에 팽창한 작동 기체가 관을 따라서 파워 피스톤쪽으로 이동해 파워 피스톤이 위에 올라가서 바퀴의 한 외부에서 일을 하게 된다. 이때 디스플레이 피스톤은 거의 제자리에 머물고 있다. ⑤ 냉각 과정에서는 힘 피스톤 제자리에 머물고 있으며 그동안 디스플레이 피스톤은 오른쪽으로 이동한다. 이때 작동 기체는 주로 저 열원 측에 모였으며, 냉각된다. ⑥ 마지막으로 압축 과정에서 플라이휠 회전 관성과 냉각된 기체의 부피 감소로 파워 피스톤이 아래로 떨어지지만 이 과정에서 열은 외부로 방출되는 디스플레이라 피스톤 고 열원에서 전달되는 열을 차단하면서 제자리에 머물고 있다. 이처럼 한번의 사이클이 끝나면 새로운 사이클 과정을 시작하게 된다.
<알파 스털링 엔진의 작동 원리> 스털링 엔진의 열효율 열역학 과정에서 등적은 부피가 일정하게 유지되는 과정을 말하며 등온은 온도가 일정하게 유지되는 과정을 의미한다. 스털링 엔진의 한 사이클 과정을 이상적인 열역학 과정으로 생각하면 등적 가열, 등온 팽창, 등적 냉각, 등온 압축 4스트로크 과정으로 이해할 수 있다. 이때 스털링 기관의 열효율은 외부에서 유입된 열의 양이 얼마나 등온 팽창 과정에서 외부 일로 쓰였는지를 의미한다. 스털링 엔진 작동 기체로는 처음에는 공기가 쓰였으나 열효율을 높이기 위해 수소로 쓰였고 폭발 위험성 때문에 헬륨을 주로 사용하게 됐다.
열역학에서의 일은 압력과 부피 변화의 곱으로 정의되므로 과정 2에서 엔진은 과정 2의 곡선 밑의 면적에 해당할 만한 일을 외부에 두게 된다, 과정 4를 통해서는 과정 4의 곡선 밑의 면적만 외부에서 일을 받게 된다. 그러므로 1회 사이클을 거치면 스털링 엔진은 이론적으로 도형의 내부 면적에 해당하는 만큼 일을 한다. 1회 사이클 동안 스털링 엔진이 한 일을 외부에서 투입된 열의 총량으로 나누면 스털링 엔진의 열 효율을 알 수 있다. 열 기관의 열 효율은 100%에 안 되고 저 열원의 온도가 결정될 때 고열원과 저 열원의 온도 차이가 클수록 열 효율은 커진다. 현재 스털링 기관의 열 효율은 약 30%정도다. ⑷ 스털링 엔진의 장점과 활용 분야 ① 온도 차이가 존재하며 스털링 기관이 작동하고 운동 에너지를 만들기 때문에 화석 연료뿐 아니라 태양열, 지열 같은 다양한 연료와 차가운 대기 같은 주변 조건도 한다. ② 폐쇄 사이클에서 환경 친화성이 높다. ③ 일반적인 내연 기관과 구성 재료가 같고, 재활용 등에 오염을 덜 일으킨다. ④ 소형 발전기, 선박용 기관 및 극저온 냉동기 등으로 사용되고, 스털링 엔진-가정용 코제너레이션 시스템 개발 연구도 진행 중이다. ⑤ 스털링 엔진은 내연 기관과 달리 폭발의 위험이 없기 때문에 엔진의 소음과 진동이 작은 잠수함의 동력으로 쓰인다.
