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스털링 기관은 동일 작동 온도에서 다공체 재생 열교환기를 통하여 카르노 효율을 달성할 수 있다는 해석으로 지난 200여 년 간 꾸준한 관심의 대상이었다. 또한 2도 이상의 온도 차에서 작동 가능한 외연 기관이기 때문에 석유 자원이나 천연 가스 뿐만 아니라 바이오매스(Biomass), 태양열, 지열, 해수 온도 차이 등 다양한 친환경 ...

스털링 기관은 동일 작동 온도에서 다공체 재생 열교환기를 통하여 카르노 효율을 달성할 수 있다는 해석으로 지난 200여 년 간 꾸준한 관심의 대상이었다. 또한 2도 이상의 온도 차에서 작동 가능한 외연 기관이기 때문에 석유 자원이나 천연 가스 뿐만 아니라 바이오매스(Biomass), 태양열, 지열, 해수 온도 차이 등 다양한 친환경 열원을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 높은 효율의 달성 및 친환경 열원의 사용 가능성은 석유 자원 고갈과 환경 문제에 직면한 현재 친환경 녹색성장이라는 화두에 적합한 기관으로 평가 받으며, 특히 m-CHP 분야에서 활발히 적용하고 있다. 스털링 기관의 구성 요소 중에서 재생 열교환기는 기관의 열효율을 증가하는데 기여하며, 스털링 사이클을 구성하는 필수 요소이다. 가열기와 냉각기 사이에 위치하여 작동 유체를 통해 열을 교환하며 기관의 에너지 전환 능력에 작용한다. 일반적으로 수력 직경이 작고 표면적이 넓으며 매트릭스의 비열이 작동 유체의 비열보다 월등히 높을 때 재생기의 성능이 높다. 이러한 이유로 재생기의 성능을 높이기 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 재생기의 성능을 평가하기 위하여 열전달 특성과 압력 강하 특성을 파악하기 위한 연구가 진행 중이다. 열전달 특성의 경우, Nusselt number나 유용도 등으로 그 성능을 나타내었는데 본 연구에서도 재생기의 종류와 형태에 따라 동일한 지표로 나타내었다. 압력 강하 특성의 경우, 많은 경우 실험을 통하여 그 성능을 예측하였으나 대부분의 경우 저속의 왕복 유동에서 평가하였다. 본 연구에서는 실제 운전 조건인 50Hz에서의 압력 강하 값을 실험을 통하여 알아보았고 이를 손실로 환산하여 그 성능을 고찰하였다. 또한, 열전달 특성과 압력 강하 특성을 분석하는데 머무르지 않고 효율의 개념을 도입하여 앞의 두 특성을 함께 고려한 성능을 나타내었다. 본 연구를 위하여 50Hz의 왕복유동을 만들 수 있는 구동부와 가열 및 냉각부, 그리고 재생기를 통한 온도와 차압을 획득할 수 있는 재생기부를 제작하였다. 고온 및 냉각부는 재생기 양 끝단의 온도를 각 430 K, 330K으로 고정하며 작동 유체를 50Hz로 왕복 유동하여 필요한 데이터들을 획득하였다. 작동 유체로 헬륨을 사용하였다. 메쉬는 크게 스크린 와이어 메쉬, 랜덤 와이어 메쉬, 그리고 조합형 메쉬를 사용하였다. 이러한 메쉬의 종류에 따른 성능을 평가하였으며, 특히 스크린 와이어 메쉬를 기준으로 수력직경이나 공극률에 따른 성능의 변화도 고찰하였다. 동일한 와이어 직경과 공극률로 살펴보았을 때, 랜덤 와이어 메쉬가 다른 종류의 와이어 메쉬보다 높은 성능을 보임을 알 수 있었다. 이는 재가열에 따른 손실량이 가장 작았기 때문으로 분석한다. 수력 직경에 따른 재생기의 열전달 및 압력 강하 특성의 경우, 수력직경이 작아질수록 열전달 효과는 높은 반면 압력 강하는 심해지는 것으로 나타났다. 공극률의 변화에 따른 결과 역시 동일했다. 공극률이 작을수록 열전달 효과는 높았으나 압력 강하는 심해지는 것으로 나타났다. 이를 손실로서 종합하여 살펴 본 결과, 수력 직경이 클수록 성능은 높은 것으로 나타났고, 공극률은 0.75∼0.8일 때 최적의 성능을 보이는 것으로 나타났다.