스털링 사이클, 에릭슨 사이클, 브레이튼 사이클 특징

스털링 사이클, 에릭슨 사이클, 브레이튼 사이클 특징

열기관 사이클에는 다양한 종류가 있으며, 그중 스털링 사이클, 에릭슨 사이클, 브레이튼 사이클은 각각의 독특한 특징과 장점을 가지고 있습니다. 이 블로그 글에서는 각 사이클의 기본 원리와 작동 과정을 살펴보겠습니다.

 

 

스털링 사이클 (Stirling Cycle)

스털링 사이클은 두 개의 등온과정과 두 개의 정적과정으로 이루어져 있습니다. 카르노 사이클과 유사하게 고온열원 ( T_H )와 저온열원 ( T_L ) 사이에서 작동하지만, 등엔트로피 과정 대신 정적과정을 사용합니다.

 

과정 설명

1. 등온 압축 (1 → 2) : 작업유체가 압축되고 외부로 열을 방출합니다.

2. 정적 가열 (2 → 3) : 일정한 체적에서 재생기(regenerator)로부터 열을 공급받습니다.

3. 등온 팽창 (3 → 4) : 작업유체가 외부로부터 열을 공급받고 팽창합니다.

4. 정적 방열 (4 → 1) : 일정한 체적에서 재생기로 열이 방출됩니다.

 

특징

· 재생기를 통해 열 에너지를 저장하고 회수하여 효율을 높입니다.

· 실제 적용 시 등온 압축과 팽창을 구현하는 데 어려움이 있습니다.

 

에릭슨 사이클 (Ericsson Cycle)

에릭슨 사이클은 스털링 사이클과 비슷하지만, 정적과정 대신 정압과정을 사용합니다. 두 개의 등온과정과 두 개의 정압과정으로 구성됩니다.

 

과정 설명

1. 등온 압축 (1 → 2) : 작업유체가 압축되고 외부로 열을 방출합니다.

2. 정압 가열 (2 → 3) : 일정한 압력에서 재생기(regenerator)로부터 열을 공급받습니다.

3. 등온 팽창 (3 → 4) : 작업유체가 외부로부터 열을 공급받고 팽창합니다.

4. 정압 방열 (4 → 1) : 일정한 압력에서 재생기로 열이 방출됩니다.

 

특징

· 재생기를 사용하여 열 에너지를 저장하고 회수하여 효율을 높입니다.

· 이상적인 경우 카르노 사이클과 같은 효율을 가집니다.

 

브레이튼 사이클 (Brayton Cycle)

브레이튼 사이클은 가스 터빈의 이상적인 사이클로, 줄 사이클(Joule Cycle)이라고도 불립니다. 두 개의 단열과정과 두 개의 정압과정으로 구성됩니다.

 

기본요소_압축기+연소기+터빈 이미지

 

과정 설명

1. 단열 압축 (1 → 2) : 등엔트로피 압축으로, 압축기에서 공기가 압축됩니다.

2. 정압 가열 (2 → 3) : 연소기에서 정압 연소가 일어나, 기체의 온도가 상승합니다.

3. 단열 팽창 (3 → 4) : 터빈에서 기체가 팽창하여 일을 합니다.

4. 단열 팽창 (4 → 5) : 노즐에서 기체가 팽창하여 일을 합니다.

5. 정압 방열 (5 → 1) : 일정한 압력에서 기체가 열을 방출하고 온도가 내려갑니다.

 

브레이튼 사이클 PV선도 및 TS선도

 

특징

· 가스 터빈에서 널리 사용되며, 고온 고압의 연소가스를 터빈에 직접 충돌시켜 회전일을 얻습니다.

· 공기 표준 브레이튼 사이클은 단순하고 효율적인 구조를 가집니다.

 

각 사이클 비교

· 스털링 사이클과 에릭슨 사이클은 모두 재생기를 사용하여 열효율을 높이며, 이상적인 경우 카르노 사이클과 같은 효율을 가질 수 있습니다.

· 브레이튼 사이클은 가스 터빈에서 널리 사용되며, 구조가 단순하고 고온 고압의 연소가스를 직접 활용하여 높은 효율을 발휘합니다.

· 스털링 사이클과 에릭슨 사이클은 이상적인 경우에 효율이 높지만, 실제 구현에서는 열손실과 압력 손실 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

 

이 글을 통해 각 사이클의 기본 원리와 특징을 이해하고, 각 사이클이 어떤 상황에서 유리한지 파악할 수 있기를 바랍니다.

 

카르노 사이클 (Carnot Cycle) 정의와 특징