스털링엔진(Sterling Engine) 성능 실험

• 개요

1) 용적형 외연기관인 스털링엔진의 구조와 작동원리를 이해한다.

2) 스털링엔진 회전축의 토크와 파워를 구한다.

3) 실험에서 구한 값으로부터 스털링엔진의 효율을 계산한다.

• 스털링이론

스털링엔진은 다양한 온도로 밀폐공간에서 작동유체인 공기나 다른 기체가 압축과 팽창을 반복함으로 열에너지를 기계에너지로 변환하는 장치이다. 스털링엔진은 1816년에 산업용 원동기로 사용하고 있는 증기엔진의 경쟁자로 고안되었으나, 실제 사용은 수 세기 동안 저출력 적용분야로 한정되었다. 최근에는 석유가격의 상승과 오일매장량 및 기후변화와 같은 관심이 집중됨에 따라 스털링엔진의 장점이 다시 부각되고 있다. 스털링엔진은 모든 재생에너지와 연료원에 가장 적합하다는 장점과 고효율, 정숙운전, 폐열을 쉽게 활용할 수 있다고 알려져 있다. 또한 스털링엔진은 마이크로 열병합발전 유닛의 코어 부분으로 흥미를 끌고 있으며, 세계에너지 사용에 중요한 영향을 발휘할 수 있게 그 적용이 확장될 수 있을 것이다.

• 실험내용

Stirling Engine의 회전하는 shaft의 토크와 힘을 구하기 위해서 간단한 실험 장치를 이용한다. 첫째 방법은, 회전하는 축에 적은 힘의 브레이크 장치를 만드는 방법으로 적당한 무게의 물체를 실에 묶어 회전축에 감는다. 축이 회전하면서 물체에 달린 실이 축의 회전과 반대방향으로 부하를 주어 물체를 끌어올리려는 힘이 생긴다. 따라서 물체의 무게는 축이 회전하기 전과 축이 회전하면서부터 조금씩 들어 올려져 달라지게 되는데, 이때의 무게 차이는 토크의 크기를 나타내므로, 관련식에 각 값들을 대입해서 토크와 힘을 구할 수 있다. 둘째 방법은, 물체를 들어 올리는 속도와의 관계로 힘을 구하는 방법이다. 이 방법은 무게를 조금씩 달리하여 물체를 일정 높이까지 올리는데 걸리는 시간을 측정하고 식에 대입해서 각각의 무게에 대한 힘들을 구할 수 있다. 이렇게 구한 값들을 “힘-물체의 무게” 그래프에 나타내어 최대의 힘이 나올 때, 물체의 무게를 대략 적으로 알아 낼 수 있다.