[논문]가정용 열병합 발전을 위한 스털링 엔진의 열원 온도 및 냉각수 유량에 따른 성능 실험

심규호; 김민기; 이윤표; 장선준

doi:10.5293/kfma.2015.18.1.037

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A Beta-type Stirling engine is developed and tested on the operation stability and cycle performance. The flow rate for cooling water ranges from 300 to 1500 ml/min, while the temperature of heat source changes from 300 to $500^{\circ}C$. The internal pressure, working temperatures, and o...

A Beta-type Stirling engine is developed and tested on the operation stability and cycle performance. The flow rate for cooling water ranges from 300 to 1500 ml/min, while the temperature of heat source changes from 300 to $500^{\circ}C$. The internal pressure, working temperatures, and operation speed are measured and the engine performance is estimated from them. In the experiment, the rise in the temperature of heat source reduces internal pressure but increases operation speed, and overall, enhances the power output. The faster coolant flow rate contributes to the high temperature limit for stable operation, the cycle efficiency due to the alleviated thermal expansion of power piston, and the heat input to the engine, respectively. The experimental Stirling engine showed the maximum power output of 12.1 W and the cycle efficiency of 3.0 % when the cooling flow is 900 ml/min and the heat source temperature is $500^{\circ}C$.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 가정용 열병합 발전을 위한 스털링 엔진 개발을 목표로 대기압 상태에서 공기를 작동유체로 사용한 기구형 스털링 엔진을 설계, 제작하였으며 다양한 운전 조건에서 스털링 엔진의 구동성 및 성능 변화를 실험하였다. 구체적으로 고온부 열원 온도와 냉각수 유량의 변화에 따른 스털링 엔진의 성능을 실험적으로 측정하였고, 파워피스톤과 실린더의 온도 측정을 통하여 엔진 작동성에 큰 영향을 미치는 파워피스톤과 실린더 간의 간격을 추정하였다.

가설 설정

냉각수 재킷(Water Jacket)에는 냉각수 공급장치로 부터 공급된 물이 유량계(Flow meter)를 거친 후 흘러 들어가게 되며 디스플레이서 피스톤 아래의 냉각부을 감싸고 있는 실린더를 냉각시킨다. 스털링 엔진은 작동 온도 도달 후 시동모터(Start-up Motor)에 의해 기동된다. 단방향(one-way) 커플링은 시동 이후 엔진의 크랭크 축과 모터 축을 기구적으로 분리한다.

제안 방법

본 연구에서는 가정용 열병합 발전을 위한 스털링 엔진 개발을 목표로 대기압 상태에서 공기를 작동유체로 사용한 기구형 스털링 엔진을 설계, 제작하였으며 다양한 운전 조건에서 스털링 엔진의 구동성 및 성능 변화를 실험하였다. 구체적으로 고온부 열원 온도와 냉각수 유량의 변화에 따른 스털링 엔진의 성능을 실험적으로 측정하였고, 파워피스톤과 실린더의 온도 측정을 통하여 엔진 작동성에 큰 영향을 미치는 파워피스톤과 실린더 간의 간격을 추정하였다. 이를 통해 파워피스톤이 실린더 내벽에 끼이지 않고 작동할 수 있는 스털링 엔진의 작동가능 온도 범위를 도출하였다.
본 연구에서는 가정용 열병합 발전에 적용하기 위하여 직접 제작한 기구형 스털링 엔진을 이용하여 고온부 열원 온도(300 ℃-500 ℃) 및 냉각수 유량(300ml/min-1500ml/min)에 따른 엔진 작동성, 성능 및 파워피스톤과 실린더 간 간격에 관한 실험을 진행하였다.
본 절에서는 기구형 스털링 엔진의 고온부 열원 온도 및 냉각수 유량에 따른 작동성과 정상 상태에서의 운전 특성, 그리고, 측정된 데이터를 통해 구한 압력-부피(P-V) 선도에 의한 엔진 출력 특성에 대하여 고찰하였다. 고온부 열원 온도에 따른 실험은 측정되는 고온부 표면 온도의 정상상태 도달을 기준으로 하였으며 냉각수 유량에 따른 실험은 냉각수 출구 온도의 정상상태 도달을 기준으로 진행하였다.
스털링 엔진 출력 증가 및 고온 작동성 예측을 위하여 파워피스톤과 실린더의 온도를 측정하여 간격 변화를 측정하였다. 열원 온도 증가에 따라 파워피스톤과 실린더 간 간격이 점차 감소하였고, 선형 근사한 결과 950 ℃에서 피스톤의 끼임현상이 발생할 것으로 예측되었다.
스털링 엔진의 효율 계산을 위하여 히터 공급 열량과 냉각수에서 제거되는 열량을 측정한다. 냉각수에 의해 제거되는 열량은 다음의 식으로 계산할 수 있다.
구체적으로 고온부 열원 온도와 냉각수 유량의 변화에 따른 스털링 엔진의 성능을 실험적으로 측정하였고, 파워피스톤과 실린더의 온도 측정을 통하여 엔진 작동성에 큰 영향을 미치는 파워피스톤과 실린더 간의 간격을 추정하였다. 이를 통해 파워피스톤이 실린더 내벽에 끼이지 않고 작동할 수 있는 스털링 엔진의 작동가능 온도 범위를 도출하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에 사용된 기구형 스털링 엔진의 개념도이다. 스털링 엔진은 실린더 내부에 위치한 디스플레이서 피스톤과 동일 실린더 상에 위치한 파워피스톤, 디스플레이서 피스톤을 기준으로 상, 하부의 항상 가열되는 팽창공간과 항상 냉각되는 수축공간, 그리고 두 개의 피스톤을 기구적으로 연결하는 크랭크와 플라이휠로 구성되어 있다.
스털링 엔진은 고온부와 저온부, 팽창공간(Expansion space)과 압축공간(Compression space) 사이의 유동을 발생시키는 디스플레이서 피스톤(Displacer piston)과 엔진의 출력을 발생시키는 파워피스톤(Power piston), 두 개의 피스톤을 기구적으로 연결하는 플라이휠 (Flywheel) 등의 기구부로 구성되며 형태에 따라 알파(α), 베타(β), 감마(γ)형으로 나뉜다. 본 연구에 사용된 스털링 엔진은 디스플레이서와 파워 피스톤이 동일축 선상에 위치하는 베타형이다.
디스플레이서 피스톤의 지름은 70 mm, 파워피스톤의 지름은 58 mm이다. 엔진의 크랭크, 커넥팅 로드, 파워 피스톤 등은 STS303로 제작되었으며 디스플레이서 피스톤과 고온부의 실린더는 고온환경에서 사용이 가능한 열간 공구강인 STD11로 제작하였다. 디스플레이서와 파워피스톤은 무게로 인한 작동성 저하 방지를 위해 내부를 비워 제작하였다.

이론/모형

스털링 엔진의 사이클 당 출력은 압력-부피 선도의 면적을 계산함으로써 구할 수 있다. 압력 측정 데이터는 Matalab^®의 푸리에 근사 함수(Fourier Curve fitting)를 이용하여 정현파로 근사한 후 식 (1)의 파라미터를 구한다. 즉 측정 압력 신호인 시간에 따른 압력 P로부터 평균압력 P₀, 압력 진폭 C₁, 작동 주파수 ω, 위상차 Φ를 얻는다.

성능/효과

11 은 각각 고온부 열원 온도(a)에 따른 효율과 냉각수 유량(b)에 따른 효율을 그래프로 나타낸 것이다. 고온부 열원 온도의 증가는 엔진 및 시스템 효율을 다소 향상시켜 500℃에서 최대 엔진 효율 6.51%, 시스템 효율 3.02%를 보였으며 냉각수 유량의 증가는 출력에는 거의 영향을 미치지 못한 것과 달리 엔진의 효율을 향상시켜 1500ml/min의 유량에서 14.81%의 최대 효율을 보였다. Table 2,3 은 각 조건에 따른 효율 값들을 보여준다.
실험 결과, 고온부 열원 온도 300 ℃에서 엔진으로 공급되는 열에너지 부족으로 작동 중 정지하는 현상이 발생하였으며 350 ℃부터 엔진이 정상적으로 작동하였다. 열원 온도 증가 시 엔진 회전속도 증가 및 압력 진폭 감소의 경향성을 나타내었다.
열원 온도 증가 시 엔진 회전속도 증가 및 압력 진폭 감소의 경향성을 나타내었다. 엔진의 성능은 고온부 열원 온도 증가에 따라 압력 진폭이 감소하며 엔진의 사이클 당 일은 감소하였으나 회전속도가 증가하여 출력이 증가하였고 최대 12.1 W의 출력을 보였다. 반면, 냉각수 유량에 따른 출력 변화는 미미하였다.
실험 결과, 고온부 열원 온도 300 ℃에서 엔진으로 공급되는 열에너지 부족으로 작동 중 정지하는 현상이 발생하였으며 350 ℃부터 엔진이 정상적으로 작동하였다. 열원 온도 증가 시 엔진 회전속도 증가 및 압력 진폭 감소의 경향성을 나타내었다. 엔진의 성능은 고온부 열원 온도 증가에 따라 압력 진폭이 감소하며 엔진의 사이클 당 일은 감소하였으나 회전속도가 증가하여 출력이 증가하였고 최대 12.
스털링 엔진 출력 증가 및 고온 작동성 예측을 위하여 파워피스톤과 실린더의 온도를 측정하여 간격 변화를 측정하였다. 열원 온도 증가에 따라 파워피스톤과 실린더 간 간격이 점차 감소하였고, 선형 근사한 결과 950 ℃에서 피스톤의 끼임현상이 발생할 것으로 예측되었다. 반면, 냉각수 유량 증가는 간격 감소 현상을 완화하였다.

후속연구

향후 가정용 스털링 열병합발전 시스템 적용을 위하여 내부 충진압력의 증가를 통한 엔진 출력 향상 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열병합발전에는 어떤 엔진이 사용되는가?	열병합발전에는 화석연료를 이용하는 화력발전소와 가정의 보일러로부터 버려지는 폐열을 회수하여 전기를 생산하는 가스터빈, 연료전지, 스털링 엔진 등이 사용되고 있다. 열병합발전 중에서도 마이크로 가스터빈은 출력 및 에너지밀도가 높기 때문에 30 kW급 이상의 분산 열병합발전에 주로 사용되고 있다.
	스털링 엔진의 특징은 무엇인가?	열병합발전 중에서도 마이크로 가스터빈은 출력 및 에너지밀도가 높기 때문에 30 kW급 이상의 분산 열병합발전에 주로 사용되고 있다. 반면, 스털링 엔진은 출력은 낮으나 외연기관으로 태양열, 바이오 연료, 내연기관 폐열과 같은 다양한 열원 활용이 가능하고 저진동, 저소음의 정숙성의 장점으로 인하여 10 kW급 미만의 가정용 열병합 발전 분야에서 각광을 받고 있다.(1) 최근 한국기계연구원에서 초소형 가정용 1kW급 스털링엔진 열병합발전시스템 개발 연구를 수행한 바 있으나(2), 국내에서는 스털링 엔진 성능 최적화 및 상용화 연구 개발이 부족한 상태이다.
	스털링 엔진의 성능을 증가, 감소시키는 조건은 무엇인가?	스털링 엔진의 성능은 작동유체의 종류, 내부 충진압력, 고온부와 저온부의 온도에 따른 열에너지 투입량 등의 열역학적 요인과 피스톤의 질량, 플라이휠(Flywheel)의 관성질량 등의 동역학적 요인에 의해 좌우된다.(3) 일반적으로 스털링 엔진의 고온부의 온도와 충진압력의 증가는 출력을 향상시키며, 작동유체로 수소, 헬륨가스를 사용할 경우 높은 열전도율을 갖고 있어 효과적인 열전달로 엔진의 성능을 향상 시킬수 있다.(4) 또한, 열교환기의 용적을 증가시킬 경우 불용체적비(Dead volume ratio)가 증가되어 유효일(Effective work)을 생산하는 작동공간의 비율이 감소하여 전체 엔진 성능을 저하시킨다.(4-5) 또한, 재생기(Regenerator) 역시 불용체적비를 증가시키나 팽창공간과 압축공간을 왕복하는 작동유체의 열에너지를 재사용하여 외부에서 공급하는 열에너지를 감소시키므로 엔진의 효율을 높일 수 있다.(6)

참고문헌 (9)

Luigi Crema, 2011, "Development of A Pellet Boiler with Stirling Engine for m-CHP Domestic Application," Energy, Sustainability and Society, 1:5.

상세보기
Yong-Ju Hong, 2009, "The Cycle Analysis of The 1kW Class Free-Piston Stirling Engine for Micro CHP," KSME, pp. 1872-1876.
Can Cinar, 2005, "Beta-Type Stirling Engine Operating at Atmospheric Pressure," Applied Energy, 81, pp. 351-357.

상세보기
H. Karabulut, 2010, "Torque and Power Characteristics of A Helium Charged Stirling Engine with A Lever Controlled Displacer Driving Mechanism," Renewable Energy, 35, pp. 138-143.

상세보기
Angkee Sripakagorn, 2011, "Design and Performance of A Moderate Temperature Difference Stirling Engine," Renewable Energy, 36, pp. 1728-1733.

상세보기
Koichi Hirata, 1997, "Performance Evaluation for A 100 W Stirling Engine," Proceedings of 8th International Stirling Engine Conference, pp. 19-28.
Bancha Kongtragool, 2006, "Thermodynamic analysis of a Stirling engine," Renewable Energy, 31, pp. 345-359.

상세보기
http://www.kdnavien.co.kr/HeaderData/2013_Navien_promo_brochure.pdf, Accessed on 2013.10.23.
Introduction to Infrared Radiation Thermal-Elements, www.thermal-elements.com, Accessed on 2013.10.23.

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