외연기관
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1. 개요
외연기관은 열에너지를 운동에너지로 변환하는 기관으로, 작동 유체가 외부에서 열을 공급받아 작동하는 방식이다. 다양한 연료 사용이 가능하고 대기 오염 물질 배출이 적지만, 소형화와 경량화가 어려워 내연기관에 대체되었다. 현재는 화력 발전소의 증기 터빈, 스털링 엔진 등에서 활용되며, 복합 화력 발전과 같은 방식으로 열효율을 높이기도 한다.
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- 외연기관 - 스털링 기관
스털링 기관은 1816년 로버트 스털링이 발명한 외부 열 공급 방식의 폐쇄형 열사이클 엔진으로, 피스톤-실린더 배치 구조와 피스톤 동작 메커니즘에 따라 다양한 형태로 분류되며, 다양한 열원을 활용할 수 있어 여러 분야에 응용된다. - 에너지에 관한 - 브레이턴 사이클
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| 외연기관 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 왕복 기관 |
| 작동 방식 | 열을 외부에서 공급 |
| 작동 원리 | |
| 열 공급 | 외부 열원 (예: 연료 연소) |
| 작동 유체 | 물, 공기, 기타 유체 |
| 운동 변환 | 열에너지 → 기계적 에너지 |
| 종류 | |
| 증기 기관 | 증기 기관차, 증기 터빈 |
| 스털링 엔진 | 다양한 응용 분야 |
| 외부 연소 가스 터빈 | 발전, 선박 추진 |
| 장단점 | |
| 장점 | 다양한 연료 사용 가능 연료 연소 효율 향상 가능 |
| 단점 | 복잡한 구조 낮은 출력 밀도 |
| 응용 분야 | |
| 발전 | 대규모 발전소 |
| 선박 | 증기선, 핵추진 선박 |
| 항공 | 증기 동력 항공기 |
| 기타 | 산업용 기계, 실험 장비 |
| 외부 연소 기관의 미래 | |
| 연구 방향 | 효율 향상 및 소형화 신재생에너지 연계 다양한 응용 분야 개척 |
| 외부 연소 기관의 기타 사항 | |
| 정의 | 연소 과정이 작동 유체와 분리된 열기관 |
| 주요 구성 요소 | 열원, 작동 유체, 동력 장치 |
| 핵심 특징 | 외부 열 공급 다양한 작동 유체 사용 가능 |
| 관련 기술 | 열역학, 유체역학, 재료공학 |
| 관련 주제 | 열기관, 내연 기관, 증기 기관, 스털링 엔진 |
2. 작동 유체
외연기관에서 열에너지를 운동에너지로 변환하는 과정에 작용하는 것을 '''작동 유체'''라고 한다. 작동 유체는 어떤 조성이든 가능하며, 단상(액체 또는 기체) 또는 이상(액체/기체)일 수 있다. 예를 들어 증기터빈에서는 물을 끓여 그 증기로 터빈을 돌려 기계적 에너지를 얻으므로, 증기는 증기기관에서의 작동 유체이다.
2. 1. 단상 (Single phase)
스털링 엔진에는 기체가 사용된다. 때로는 단상 액체가 사용되기도 한다.2. 2. 이상 (Dual phase)
이중상 변위 외연기관은 상 전이를 이용하여 온도를 유용한 일로 변환한다. 액체에서 기체로 변환하는 방식이 그 예시이다. 이러한 유형의 기관은 랭킨 사이클의 변형을 따른다. 증기 기관은 이중상 기관의 일반적인 예이며, 유기 랭킨 사이클을 사용하는 기관도 이에 해당한다.3. 내연기관과의 비교
내연기관과 비교했을 때, 외연기관은 열원이 외부에 있기 때문에 연료의 형태(기체·액체·고체)에 따른 선택의 폭이 넓고, 최적의 조건에서 연소시킬 수 있으므로 대기오염 물질의 배출을 억제하기 쉽다. 또한, 화석연료(석유·천연가스 등)뿐만 아니라 원자력, 지열, 태양광 등 다양한 열원을 이용할 수 있다. 예를 들어 증기기관차는 석탄, 중유와 같은 화석연료 외에도 땔나무나 바가스도 연료로 사용할 수 있다. 또한, 내연기관에 비해 작동음이 비교적 조용하다.[1]
산업혁명을 일으킨 원동력이었던 외연기관은 점차 수송기계를 중심으로 가솔린 엔진 등의 내연기관에 의해 대체되었다. 외연기관은 소형화·경량화가 어렵고, 출력중량비가 작아(무게가 많이 나가는 대신 힘이 작다) 수송기계에는 적합하지 않기 때문이다. 특히 레시프로 방식의 증기기관은 증기기관차 등에 약간 남아 있을 뿐이다.[1]
하지만 대형 증기기관은 현대에도 적극적으로 이용되고 있다. 예를 들어 화력발전소와 원자력발전소는 증기터빈으로 발전하는 증기터빈발전이며, 높은 열효율을 실현하고 있다. 이들에서 사용되는 증기터빈의 열효율은 이론적 열 사이클의 한계에 가까운 수준이다. 외연기관의 일종인 스터링 엔진은 카르노 사이클에 가장 가까운 작동이 가능하며, 높은 열효율 때문에 일부 통상동력형 잠수함에서 비대기 의존 추진(AIP)에 사용되고 있다.[1]
4. 연소
"연소"는 열을 공급하기 위해 연료를 산화제와 함께 태우는 것을 말한다. 이와 비슷하거나 같은 구조와 작동 방식을 가진 엔진은 핵, 태양열, 지열 또는 연소를 포함하지 않는 발열 반응과 같은 다른 열원을 사용할 수도 있다. 이러한 엔진은 엄밀히 말해 외연 기관이 아니라 외열 기관으로 분류된다.[1]
5. 현재
증기기관으로 움직이는 차량은 박물관에 있는 증기기관차나 모형을 제외하고는 거의 존재하지 않는다. 하지만, 화력 발전소는 외연기관의 기본적인 모습과 기능을 유지하며 발전해왔다. 연료에 따라 석유, 폐기물, 석탄, 중수소, 원자력 발전소 등으로 나뉘지만, 전기를 일으키기 직전까지의 대부분의 기관은 외연기관의 형태를 띤다. 수력, 풍력, 조력, 기압차, 기온차 등 자연 상태의 물리적 에너지를 이용하는 발전소는 예외이다.
복합화력발전은 내연기관의 폐열을 외연기관의 열원으로 이용하여 열효율을 높이는 발전 방식이다.
6. 외연 기관과 증기 기관
외연기관의 역사는 증기기관의 역사나 다름없다.
외연기관에서 열에너지를 운동에너지로 변환하는 과정에서 작용하는 것을 '''작동유체'''라고 한다. 예를 들어 증기터빈에서는 물을 끓여 그 증기로 터빈을 돌려 기계적 에너지(동력)를 얻으므로, 증기는 증기기관에서의 작동유체이다.
내연기관과 비교했을 때, 열원이 외부에 있기 때문에 연료의 형태(기체·액체·고체)에 따른 선택의 폭이 넓고, 최적의 조건에서 연소시킬 수 있으므로 대기오염 물질의 배출을 억제하기 쉽다. 또한, 화석연료(석유·천연가스 등)뿐만 아니라 원자력·지열·태양광 등 다양한 열원을 이용할 수 있다(예를 들어 증기기관차는 석탄·중유와 같은 화석연료 외에도 땔나무나 바가스도 연료로 사용할 수 있다). 또한, 내연기관에 비해 작동음이 비교적 조용하다.
참조
[1]
웹사이트
external combustion - Definition from the Merriam-Webster Online Dictionary
http://www.merriam-w[...]
[2]
백과사전
외연 기관
글로벌 세계 대백과
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