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문제 정의
- Hugenroth et al.(2)은 에릭슨 냉동 사이클에서 압축행정과 팽창행정을 등온에 가깝게 해주기 위해 작동기체에 불활성 액체를 혼합하는 방식을 소개하였다. 혼합을 위해 주입한 액체 즉 열매체의 열용량이 작동가스의 열용량보다 아주 크다면 작동가스의 압축 시 발생하는 열이나 또는 팽창 시 가스가 냉각되는 것을 열매체에서 충분히 흡수해 줄 수 있어서 작동가스는 거의 등온에 가까운 압축이나 팽창 과정을 수행하게 되는 것이다.
- 혼합을 위해 주입한 액체 즉 열매체의 열용량이 작동가스의 열용량보다 아주 크다면 작동가스의 압축 시 발생하는 열이나 또는 팽창 시 가스가 냉각되는 것을 열매체에서 충분히 흡수해 줄 수 있어서 작동가스는 거의 등온에 가까운 압축이나 팽창 과정을 수행하게 되는 것이다. 본 연구에서는 이러한 사용하고자 하는 열매체의 열용량 등을 고려하여 폴리트로픽 지수를 n= 1.1로 잡고자 한다.
- 더구나 스털링 엔진의 열효율을 높여 주기 위해서는 고온부의 온도를 높일수록 유리하므로 스크롤 팽창기의 운전조건이 매우 까다로워진다. 본 연구에서는 이러한 제반 여건을 고려하여 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기에 대한 기본 구조와 중요치수 등을 구하고 이러한 개념 설계를 기초로 예상되는 성능을 해석하여 태양열 발전용 엔진으로서의 스크롤식 스털링 엔진의 구현을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 태양열을 열원으로 이용하는 스크롤 방식 스털링 엔진 용도의 스크롤 팽창기-압축기에 대한 설계의 첫 단계로 개념 설계를 수행해 보고자 한다. 스크롤 압축기의 경우 현재 에어컨용 냉매 압축기로 널리 사용되고 있고 또한 무급유식 공기 압축기로도 제품들이 속속 출시되고 있어 관련 기술들에 대한 접근성이 용이한 반면, 스크롤 팽창기의 경우 아직까지는 상용화 단계까지는 이르고 있지 못한 상태이다.
- 이럴 경우 랩 형상 인자 수 7개에 관계식이 5개이므로 변수 2개를 독립변수로, 나머지 변수 5개는 종속변수로 잡을 수 있다. 여기서는 랩의 가공에 실질적으로 중요한 랩 두께 t와 선회반경 rs를 독립변수로 잡고자 한다. 먼저 랩 두께를 t=7mm로 고정하고 선회반경 rs를 변화시켜 가며 주어진 Table 1의 운전조건을 만족하기 위한 스크롤 랩 직경(2𝜙eα)과 토출구 속도를 팽창기와 압축기에 대해 Fig.
- 이러한 기존의 왕복동 방식 스털링의 한계점들을 극복하기 위한 방안으로 스크롤 기구를 사용한 스털링 엔진에 대한 개념이 소개되었다(1). 압축 및 팽창을 왕복동식 기구를 사용하여 수행하는 대신에 스크롤식 압축 및 팽창 기구를 사용할 경우 압축행정과 팽창행정이 서로 간섭하는 것이 없이 완전히 독립적으로 수행될 수 있고 스크롤에서는 밀폐 체적을 구성하는 스크롤 랩과 경판이 작동유체와 접촉하는 면적이 왕복동식에 비해 크게 증가하기 때문에, 앞서 이상적인 스털링 사이클에서 벗어나는 정도를 상당부분 완화할 수 있다.
가설 설정
- 8(a)와 (b)는 각각 스크롤 팽창기와 압축기의 P-V 선도를 나타낸다. 고정 및 선회스크롤 간 누설 간극은 축방향 및 반경방향 모두 #로 가정하였다. 스크롤 팽창기의 P-V 선도에서는 각 팽창실 간의 누설로 인해 이론 P-V 선도에 비해 압력이 낮게 형성되어진다.
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