내연기관과는 또 다른 외연기관만의 심오한 세계

다시금 조명 받고 있는 외연기관의 세계

외연기관, 내연기관 이라는 용어를 들어 보셨을 겁니다. 

일본에서 넘어온 듯한 냄새가 풀풀 풍기는데. 외부에서의 연소(外燃) 혹은 내부에서의 연소(內燃) 를 이용한 기관 정도로 정의됩니다. 

하지만 제게있어 스팀엔진은 차량엔진과는 다른 특이한 기관 정도여서,

최근 잠수함의 AIP에 사용되는 스털링 엔진 정도가 외연기관에 속한다는 정도만 인지하고 있었을 뿐이죠.

출처 : www.dogcaught.com

내연기관과 외연기관의 주요한 차이는 연소 에너지의 활용방법에 있습니다. 

외연기관은 열에너지 자체를 사용하고, 내연기관은 폭발에서 나오는 운동에너지를 사용하여 엔진을 구동시킨다는 점이 다른데요. 주전자에 물을 끓일 때를 생각해보시면 이해가 빠릅니다.

끓기 시작하는 순간 뚜껑이 들썩거리는, 이때의 힘을 이용하는 것이 바로 외연기관입니다. 

출처 : www.dogcaught.com

가스불이 직접 뚜껑을 밀어내지 않고 높아진 증기압이 밀어내는 원리이지요. 연소를 시켜도 즉각 구동되지 않으며, 연소를 중단해도 즉각 멈추지 않는 이유가 바로 이런 구조 덕분입니다.

반면 내연기관은 연료를 폭발시킬 때 나오는 힘으로 피스톤 혹은 압축기를 직접 밀어내는 형태 이지요. (포스팅 클릭) 일반적인 자동차 엔진, 비행기 엔진이 여기에 해당합니다.

출처 : Delphi

외연기관의 가장 큰 장점은 열에너지를 만들기 위한 연료의 선택이 자유롭다는 점입니다. 

내연기관은 반드시 휘발성 연료를 사용해야 하지만, 외연기관은 심지어 목재, 태양열(!) 까지도 사용할 수 있습니다. 

때문에 원자력을 동력으로 하는 항공모함이나 잠수함은 모두 외연기관인 스팀터빈을 사용하고 있습니다. 시스템 구조도 비교적 단순한 편입니다. 

즉 가스렌지, 주전자, 물, 바람개비 네 가지만 있으면 손쉽게 동력을 얻을 수 있는 간단한 메카니즘을 가지고 있는거죠.

출처 : www.alstom.com

그럼에도 불구하고 현재 외연기관이 널리 사용되지 않는데요. 큰 시스템 규모와 낮은 열효율 때문입니다. 

동일한 출력을 위해 통상 외연기관은 내연기관의 몇 배의 크기를 가져야 하며, 열 교환기가 장착 되어있어 필연적으로 효율이 낮아질 수 밖에 없습니다.

출처 : www.alstom.com

기술이 빠르게 발전하면서 일부 특별한 경우를 제외하고는 거의 사용하지 않게 되었지요. (외연기관의 단점은 모두 내연기관의 장점이기도 합니다.)

 

그런데 최근 재조명 받기 시작한 외연기관이 있습니다. 바로 스털링 엔진입니다. 

밀폐된 실린더 내에서 작동기체의 열 수축/팽창 만을 이용해 피스톤을 작동시키는 기관인데, 잠수함의 AIP (포스팅 클릭) 적용에 성공하면서 빠르게 전파되고 있습니다.

출처 : commons.wikimedia.org

출처 : pt.wikipedia.org

 

1800년대 초반 이 엔진이 발명되었을 때만 하더라도 작동기체로 공기를 사용하여 효율이 떨어졌었는데요. 

현재 다양한 기체의 사용이 가능해지면서 열효율이 무려 40%에 육박하는 고효율 엔진으로 재탄생 되었습니다. 

특히 잠수함에서 가장 먼저 시도되었던 건 스털링 엔진의 폐회로 사이클이라는 점, 매우 정숙하다는 점이 주목 받았기 때문이었구요.

출처 : www.moebius-bcn.com

기술적 난제였던 고압의 기체 밀폐문제, 기관의 크기 문제는 어느 정도 해결이 되어있고. 

다만 높은 열을 다루어야 하는 시스템의 소재가 고가라는 부분(열교환기) 만이 상용화의 걸림돌이 되고 있습니다. 

사실 시도가 전혀 없는 건 아니어서, 가정용 난방기에 발전용 스털링 엔진이 달려 나오기도 했습니다.

 

통상 상용 내연기관들의 열효율이 25% 내외라는 점에서 스털링 엔진의 효율은 경이적이기까지 한데요. 

외연기관에 동력원을 바이오 에너지나 태양 에너지를 사용하려는 시도도 있다고 하니. 앞으로 또 다른 어떤 외연기관이 등장해서 개발될지 모를 일인 듯 합니다.

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