사이클의 종류(스털링&에릭슨&브레이튼 사이클)

온도 T_H인 고온열원과 T_L인 저온열원 사이에서 작동하는 열기관 중 가장 효율이 높은 기관은 카르노 사이클이다. 스털링 사이클(Stirling cycle)과 에릭슨 사이클(Ericsson cycle)은 카르노 사이클과 같이 T_H에서 등온가열과정과 T_L에서 등온방열과정을 포함하고 있다. 두 사이클이 카르노 사이클과 다른 점은 카르노 사이클의 등엔트로피 과정이 스털링 사이클에서는 정적과정으로 대체되고, 에릭슨 사이클에서는 정압과정으로 대체된다는 점이다.

두 사이클의 정적과정과 정압과정에서는 재생(regeneration)을 이용한다. 재생은 사이클의 일부 기간 동안 작동유체로부터 열에너지 저장기(재생기, regenerator)로 열이 전달되고, 또 다른 일부 기간 동안 그 저장 장치에서 작동유체로 열을 되돌려 주는 과정이다. 즉, 재생기는 사이클의 어느 기간 동안 작동유체로부터 에너지를 받아서 저장해 두었다가 또 다른 기간에 저장한 에너지를 작동유체로 되돌려 주는 장치이다.

스털링 사이클

[1] 스털링 사이클(Stirling cycle)은 2개의 등온과정과 2개의 정적과정으로 이루어진다.
1 → 2 : [등온압축] 작업유체가 압축되고 외부로 열을 방출한다.
2 → 3 : [정적가열] 일정한 체적에서 내부(재생기)로부터 열량을 공급받는다.
3 → 4 : [등온팽창] 작업유체가 외부로부터 열량을 공급받고 팽창한다.
4 → 1 : [정적방열] 일정한 체적에서 내부(재생기)로 열이 방출된다.

 

에릭슨 사이클

[2] 에릭슨 사이클(Ericsson cycle)은 정적과정이 정압과정으로 대치되는 것 외에는 스털링 사이클과 동일한 과정으로 작동한다. 에릭슨 사이클은 '2개의 등온과정과 2개의 정압과정'으로 구성되어 있다.
2개의 열원으로 구성되는 사이클 중 가장 효율이 높은 카르노 사이클은 2개의 등온과정을 가진다. 이상에서 살펴본 바와 같이 스털링 사이클과 에릭슨 사이클은 오토 사이클, 디젤 사이클, 사바테 사이클과는 달리 모두 2개의 등온과정을 갖는다는 특징을 가지고 있다.

동일한 온도 사이에 열 공급과정 2 → 3과열 방출과정 4 → 1이 있으므로 과정 4 → 1과 과정 2 → 3을 열교환기로 연결시키면(즉, 4 → 1에서 방출한 열량이 완전히 회수되어 모두 2 → 3으로 공급된다면), 외부로부터의 열 공급은 고온열원 T_H(과정 3 → 4)에서, 외부로의 열 방출은 저온열원 T_L(과정 1 → 2)에서만 일어나게 된다. 따라서 이때 스털링 사이클과 에릭슨 사이클의 열효율은 동일한 두 온도(T_H, T_L) 사이에서 작동하는 카르노 사이클의 열효율과 같게 된다.

ƞ_{th, Stirling} = ƞ_{th, Ericsson} = ƞ_{th, Carnot} = 1 - (T_L / T_H) (이상적인 경우)

스털링 사이클과 에릭슨 사이클을 실제로 적용할 때는 등온압축과 등온팽창을 실현하는 압축기나 기관을 제작하기가 어렵고, 열교환기에서 유한한 온도 차이에 의한 열손실과 유동에 의한 압력 손실이 발생하는 등의 문제점이 있다. 최근에는 두 사이클이 많이 연구되고 있는데 특히 역 스털링 사이클은 He을 냉매로 하는 극저온용 기체 냉동기의 기본 사이클로 관심을 받고 있다.

브레이튼 사이클

[3] 브레이튼 사이클은 내연기관에서는 연소가스의 열에너지를 피스톤의 왕복 운동을 통하여 기계적일 일로 변환한다. 아에 반해 가스 터빈은 터빈의 날개에 직접 연소가스를 충돌시켜 회전 일은 얻는다. 이와 같은 가스 터빈의 기본 요소는 압축기, 연소실, 터빈이며 이 기본 3요소 만을 갖는 것을 단순 가스 터빈이라 한다.
공기 표준 브레이튼 사이클(Brayton cycle)은 가스 터빈에 대한 이상적인 사이클로서 줄 사이클(Joule cycle)이라고도 부른다.
공기 표준 브레이튼 사이클은 '2개의 단열과정과 2개의 정압과정'으로 이루어진다.
1 → 2 : [가역단열 압축] 등엔트로피 압축(압축기)
2 → 3 : [정압 가열] 연소기에서 정압 연소가 일어난다. 일정한 압력에서 열을 받고 기체의 온도가 상승한다.
3 → 4 : [가역단열 팽창] 등엔트로피 팽창(터빈)
4 → 1 : [정압 방열] : 일정한 압력에서 열을 방출하고 기체의 온도가 내려간다.