Abstract
This paper presents the results of an experimental feasibility study on low-temperature differential Stirling engines with water spray heat transfer. The water spray enhances the efficiency of the heat transfer from heat sources to the engine and reduces the performance degeneration due to the dead volumes of conventional heat exchangers. A test Stirling engine was developed and an experiment was conducted to determine the characteristics for the initial start-up, steady-state operation, and power output for various flow rates and temperatures of hot supply water. The test results showed that larger flow rates led to reductions in the minimum working temperature of the hot water at start-up. During a series of steady-state operations, higher flow rates and temperatures increased the working speed. Furthermore, the work per cycle and power output were also increased. Eventually, the test Stirling engine had a power level of 0.05 W. Based on this, further research will be conducted to obtain a higher power output and investigate various applications.
본 연구는 스프레이 열전달을 이용한 저온도차 스털링 엔진의 실험적 개념 연구를 제시한다. 스프레이 열교환기는 노즐을 통하여 엔진 작동 공간에 직접 물을 분사함으로써 엔진 성능을 저해하는 불용 공간을 최소화하고 열전달 효율을 높였다. 직접 구현된 실험 스털링 엔진의 실증 실험은 운전 시점의 기동 특성, 정상 상태의 운전 특성, 엔진의 출력 특성에 대하여 진행하였다. 실험 결과, 열수 유량 증가에 대하여 엔진 기동 시 작동 최소 온도는 감소한 반면, 고온부 온도와 고온부-저온부 온도차는 대체로 일정하였다. 정상 상태 운전의 경우 열수 온도 및 유량 증가에 대하여 작동 주파수는 증가하였다. 엔진 출력은 열수 온도 및 유량 증가에 따라 사이클당 일 및 작동 주파수 증가로 인하여 증가하였다. 본 연구에서 구현된 실험 스털링 엔진은 열수 유량 30 ml/min, 열수 온도 $65^{\circ}C$, 고온부-저온부 온도차 $6^{\circ}C$ 이상에서 엔진 출력 0.05W 수준으로 안정된 기동 및 운전 특성을 보였으며, 향후 출력 증가 및 다양한 적용 연구를 지속할 계획이다.
