[논문]자유 피스톤 스털링엔진/발전기의 설계 인자 연구

박성제; 홍용주; 고준석; 김효봉; 염한길; 인세환; 강인수; 이청수

doi:10.7316/khnes.2014.25.6.648

문제 정의

본 논문에서는 자유피스톤 스털링엔진/발전기의 등온해석(Schmidt 해석⁷⁾)을 통한 기본설계와 SAGE 상용프로그램을 통한 상세설계를 수행하여 스털링엔진/발전기의 주요 설계인자에 의한 성능특성에 대해 서술하고자 한다.
본 연구에서는 열교환기의 형태가 스털링엔진의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 tube 형태와 Fin 형태의 2가지 형태의 열교환기에 대해 해석을 수행하였다.

가설 설정

스털링엔진/발전기의 기본설계를 위해서는 스털링엔진의 성능특성에 대한 분석이 요구되며, 이를 위해 해석이 용이한 Schmidt 해석에 기반을 둔 등온해석을 통해 1 kW급 스털링엔진의 기본설계 사양을 결정하였다. 등온해석에서는 이상적인 열교환기에서 발생하는 압력손실을 고려치 않고, 열교환기는 이상적인 열전달특성을 가지는 것으로 가정하여 해석을 수행한다. 따라서 등온해석을 통해서는 엔진의 구체적인 형상이 성능에 미치는 영향을 해석에 반영할 수 없는 단점이 있다.

제안 방법

SAGE 프로그램을 활용한 자유피스톤 스털링엔진 사이클의 해석은 스털링엔진의 압축피스톤, 변위기 및 각각의 체적, 열교환기, 재생기 등에 대한 압력강하 및 열전달 특성을 고려하였고, 재생기 재생물질형태 및 공극율(porosity)에 대한 상세 열전달 특성을 고려하여 해석하였다.
등온해석의 결과를 보완하고 엔진의 각 구성품이 미치는 영향을 상세하게 검토하기 위해 상용 스털링 사이클기기 해석프로그램인 SAGE를 사용하여 상세 해석을 수행하였다.
변위기는 팽창공간과 압축공간을 구분하고 있으며, 고온의 팽창공간으로 부터 저온의 압축공간으로의 열 유입은 엔진 출력의 감소요인으로 작용하게 된다. 따라서 이를 최소화하여야 하며, 이를 위해 변위기 내부에 복사쉴드를 적용하였다. Fig.
Table 3의 플렉셔 베어링에서 설계 사양을 만족하기 위해서는 각각의 형상에 대해 두께에 따른 강성을 구하여야 한다. 본 연구에서는 이를 위해 FEM 해석을 수행하였으며, Fig. 11 및 Fig. 12는 3가지 형상에 대한 강성 및 최대응력 해석결과를 나타내고 있다. 3가지 형상 모두 베어링의 두께가 증가하면서 강성은 급격하게 증가하는 특성을 나타내었으며, 발생하는 최대응력은 2 Arm type [2] 가 가장 작은 것으로 나타났다.
스털링엔진/발전기의 기본설계를 위해서는 스털링엔진의 성능특성에 대한 분석이 요구되며, 이를 위해 해석이 용이한 Schmidt 해석에 기반을 둔 등온해석을 통해 1 kW급 스털링엔진의 기본설계 사양을 결정하였다. 등온해석에서는 이상적인 열교환기에서 발생하는 압력손실을 고려치 않고, 열교환기는 이상적인 열전달특성을 가지는 것으로 가정하여 해석을 수행한다.
자유피스톤 스털링엔진/발전기의 설계인자를 정확히 판단하기 위하여 등온해석을 통한 기본설계와 SAGE 상용프로그램을 통한 상세설계를 수행하여 자유피스톤 스털링엔진/발전기의 주요 설계인자에 의한 성능특성에 대해 서술하였고, 스털링엔진/발전기의 핵심부품인 변위기와 플렉셔 베어링의 설계방향을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
8은 두 개의 피스톤의 위상차에 대한 해석결과를 나타낸다. 해석결과 엔진의 출력과 효율을 고려하여 동력피스톤을 기준으로 변위기의 위상각을 50도로 선정하였다.
7은 SAGE 프로그램을 통한 엔진의 압축공간 및 팽창공간의 pv 선도를 나타낸다. 해석은 Fig. 4에서와 같이 등온해석조건과 동일한 조건을 사용하였으나, 상세설계를 위해 피스톤과 실린더, 왕복기와 실린더 사이의 간극을 현실화하여 해석하였다.
해석은 기존의 1 kW급 스털링엔진의 사양을 고려하여 50 Hz의 운전주파수, 사이클 평균압력 30 Bar에 대해 수행하였으며, Fig. 4는 압축공간의 행정체적 114 cc, 팽창공간의 행정체적 137 cc에 대한 pv일을 나타낸다. 이때 팽창공간 및 압축공간의 온도는 470℃ 및 120℃이다.

대상 데이터

등온해석 및 기본설계용 자유피스톤 스털링엔진/발전기의 구조로 Fig. 3과 같이 기계적 구조가 상대적으로 단순하고, 효율 및 내구성 측면에서 우수한 베타형 FPSE 방식 및 moving magnet 방식의 선형발전기 구조를 선정하였다.

성능/효과

1) Schmidt 해석을 통한 기본설계 결과 50 Hz의 운전주파수, 사이클 평균압력 30 bar, 팽창공간 및 압축공간의 온도는 470℃ 및 120℃일 때, pv 입력이 2.49 kW, 열교환기를 통한 방열이 1.32 kW, pv 출력은 1.17 kW로 나타났다.
2) 그리고 팽창공간의 온도상승은 입력일의 증가보다 출력일이 큰 증가를 보여 엔진효율이 증가한다는 것을 알 수 있으며, 팽창공간의 행정체적의 증가는 입력일의 증가에 비해 작은 출력일의 증가가 발생하여, 엔진 효율이 감소함을 알 수 있다.
3) SAGE 프로그램을 통한 상세설계 결과, 운전주파수 50 Hz에서 열입력(입력일)은 5.73 kW, 열교환기를 통한 방출은 4.52 kW, 출력일은 약 1.21 kW로 나타나, 등온해석의 결과와 비교할 때 입력일이 증가하였다.
12는 3가지 형상에 대한 강성 및 최대응력 해석결과를 나타내고 있다. 3가지 형상 모두 베어링의 두께가 증가하면서 강성은 급격하게 증가하는 특성을 나타내었으며, 발생하는 최대응력은 2 Arm type [2] 가 가장 작은 것으로 나타났다. 이때 해석은 변위기의 최대변위를 고려하여 변위 12 mm인 경우에 대해 수행하였다.
4) 또한 두 개의 피스톤 위상차가 증가함에 따라 pv일은 감소하는 경향을 보이고, 엔진 효율은 증가하다가 감소하는 경향을 보여 동력피스톤과 변위기의 위상차를 50도로 선정하였다.
5) Random wire 재생기의 공극률에 따른 열입력은 공극률이 0.9 이상에서는 다소 감소하는 경향을 보이고, 엔진 효율은 증가하는 경향을 보여 설계공극률은 약 0.85 이상으로 하였다.
6) 스털링엔진/발전기의 내부 열교환기는 튜브형과 핀형태 모두 1 kW의 출력을 보이지만, 핀 형태의 열교환기의 경우 사용적이 감소하여 더 높은 엔진효율을 나타내었다.
7) 변위기의 복사열손실을 감소시키기 위하여 변위기 내부에 복사쉴드를 설치하여 복사열손실을 감소시킬 수 있으며, 복사쉴드의 수가 3개 이상에서는 복사열손실의 감소가 둔화되어 약 5개의 복사쉴드를 설치하였다.
8) 플렉셔 베어링의 형상과 두께에 따른 강성과 응력을 FEM을 통해 해석하였으며, 2 arm type이 적합하였고, 약 3.5 mm 부근 두께의 베어링을 여러장 조합하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
9 이상의 공극율이 요구됨을 알 수 있다. 공극률 0.9 이상의 영역에서는 열입력이 다소 감소하기 때문에 엔진의 효율의 향상을 도모할 수 있는 것으로 나타났으며, 목표 출력을 만족하는 공극률 범위는 약 0.85 이상으로 나타났다.
스털링엔진에 대한 SAGE 해석 결과, 운전주파수 50 Hz에서 열입력(입력일)은 5.73 kW, 열교환기를 통한 방출은 4.52 kW, 출력일은 약 1.21 kW로 나타나, 등온해석의 결과와 비교할 때 입력일이 크게 증가하였다. 이와 같은 해석결과를 유사한 사양의 기존 FPSE의 특성과 비교하면, 등온해석의 결과는 열교환기 및 재생기의 열전달 특성을 고려하고 있지 않아 과도하게 높은 효율을 예측하고, Fig.
10은 변위기 내부의 복사쉴드의 설치개수에 따른 열침입량을 나타내고 있다. 이 때 변위기 고온부 및 저온부의 온도는 각각 525℃ 및 30℃이었으며, 변위기의 직경은 85 mm이고, 복사쉴드는 변위기 위쪽에서 60 mm 위치에서부터 10mm 간격으로 설치하였다, 해석을 통해 구한 열침입은 복사쉴드가 없는 변위기의 경우 61.1 W(변위기 고체벽을 통한 전도 20 W), 4개의 경우 33.9 W, 5개의 경우 32.1 W로 50%에 가까운 열침입이 감소하는 것으로 나타나, 구조적인 측면에서 허용하는 최대 수의 복사쉴드를 설치하는 것으로 결정하였다.
21 kW로 나타나, 등온해석의 결과와 비교할 때 입력일이 크게 증가하였다. 이와 같은 해석결과를 유사한 사양의 기존 FPSE의 특성과 비교하면, 등온해석의 결과는 열교환기 및 재생기의 열전달 특성을 고려하고 있지 않아 과도하게 높은 효율을 예측하고, Fig. 7의 해석결과는 비교적 타당한 것으로 판단된다.
6은 팽창공간의 행정체적 변화에 따른 엔진의 입출력 특성의 변화를 나타낸다. 팽창공간의 행정체적의 증가는 입력일의 증가에 비해 작은 출력일의 증가가 발생하여, 엔진 효율이 감소함을 알 수 있다.
Table 2는 2가지 형태의 열교환기에 대한 해석결과를 나타낸다. 해석결과 tube형 열교환기와 fin형 열교환기 두 형태 모두 1kW급 스털링엔진/발전기로 적합한 엔진출력을 나타내었으나, 튜브형 열교환기를 사용한 경우 사용적(dead volume)이 증가하여 핀형 열교환기보다 엔진효율이 더 낮은 결과를 보여 핀형 열교환기를 사용한 Engine (II)를 최종 자유피스톤 스털링엔진/발전기의 사양으로 확정하였다. 이때 제작의 용이성을 위해 동력피스톤과 변위기의 직경을 동일하게 선정하였다.
이때 팽창공간 및 압축공간의 온도는 470℃ 및 120℃이다. 해석결과는 pv 입력 2.49 kW에 대해 열교환기를 통한 방열이 1.32 kW, pv 출력 1.17 kW로 나타났다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자유 피스톤 스털링엔진/발전기의 설계 인자 연구
A Study on the Design of the Free-Piston Stirling Engine/Alternator 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자유 피스톤 스털링엔진/발전기의 설계 인자 연구 A Study on the Design of the Free-Piston Stirling Engine/Alternator 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박성제 (59) 홍용주 (50) 고준석 (21) 김효봉 (44) 염한길 (31) 인세환 (10) 강인수 (1) 이청수 (1)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자유 피스톤 스털링엔진/발전기의 설계 인자 연구
A Study on the Design of the Free-Piston Stirling Engine/Alternator 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper