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승용차 폐열 회수용 유기 랭킨 사이클 성능 분석
Performance analysis of an organic Rankine cycle for waste heat recovery of a passenger car 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.17 no.2, 2013년, pp.87 - 94  

김현진 (인천대학교 기계시스템공학부) ,  문제현 (인천대학교 기계시스템공학부) ,  유제승 (인천대학교 기계시스템공학부) ,  이영성 (인천대학교 기계시스템공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Applicability of organic Rankine cycle for a passenger car with 3.5 L gasoline engine to convert low grade waste heat to useful shaft power has been numerically studied. Working fluid is R134a, and the Rankine cycle is composed of boiler for recovering engine cooling water heat, super heater for rec...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 3.5 L급 가솔린 엔진의 폐열을 회수하여 유용한 축 동력으로 전환함에 있어 기존의 Dual Loop Co-generation 시스템의 복잡한 구성을 단순화한 Combined-Loop 사이클로도 연비 향상 12%를 얻을 수 있음을 해석적으로 보이고자 한다.
  • 차량 엔진에서 회수한 폐열을 유용한 동력으로 전환하여 연비를 개선하기 위한 해석적 연구를 수행하였으며, 다음과 같이 그 결과를 요약할 수 있다.

가설 설정

  • 83℃)까지 감소하게 되면 이상영역(two phase)으로 들어가고 건도가 감소하게 된다. 배기 가스 폐열을 받아들이는 과열기에서는 t4의 변화가 없는 한 일정량의 배기 가스열을 흡수한다고 가정하였다.
  • 38℃에서 대략 5℃의 과냉 조건을 유지하는 것이다. 응축기의 실제 포화 온도는 주변 공기의 온도 및 유속에 따라 변화하지만 여기서는 일단 외기온도가 일정하고 이에 따라 일정한 포화 온도를 유지한다고 가정하였다.
  • 이때 각종 효율들 가운데 열교환 장치들인 재생 열교환기 효율(ηrecup), 보일러 효율(ηboiler), 그리고 과열기 효율(ηsh)은 모두 85% 간주하였고, 팽창기의 등엔트로피 효율 (ηe,is) 및 팽창기 전효율(ηe)은 각각 85% 및 75%, 피드 펌프의 효율은 ηp=80%로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자동차 연비 향상 기술로 주목받고 있는 것은? 8 km/liter에서 2025년도까지는 25 km/liter로 25%의 연비 향상을 이루어야 한다. 이러한 연비 향상을 위해 주목 받고 있는 기술로는 터보 제너레이터, 열전기 모듈 (thermo-electric module), 그리고 랭킨 사이클 등이 있다.
랭킨 사이클은 무엇인가? 랭킨 사이클은 자동차에서 발생하는 폐열을 회수하여 유용한 축동력으로 전환해 주는 기술이다. 자동차에서 연료가 가지고 있는 총 에너지의 약 30% 정도만 자동차 구동에 직접적으로 쓰이고 나머지는 배기가스 및 엔진 냉각수 등을 통해 그대로 대기 중으로 방출되어 버린다.
승용차에 적용된 랭킨 사이클 시스템의 개략도는 어떠한가? 2는 승용차에서 엔진 냉각수 폐열과 배기 가스 폐열을 회수하여 유효 동력으로 전환해 주기 위해 적용된 랭킨 사이클 시스템의 개략도이다. 폐열 회수 장치로서 엔진 냉각수열 회수를 위한 보일러와 엔진 배기 가스열 회수를 위한 수퍼 히터가 있고, 방열을 위해 공랭식 응축기를 사용한다. 또한 응축기 용량을 줄여주고 사이클 성능을 높이기 위해 응축기 입출구 라인 간에 내부(재생) 열교환기를 설치한다.
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참고문헌 (9)

  1. H. Teng, G. Regner, and C. Cowland, 2007, "Waste heat recovery of heavy-duty diesel engines by organic Rankine cycle Part I:Hybdrid energy system of diesel and Rankine engines", SAE Paper 2007-01-0537 

  2. H. Oomori and S. Ogino, 1993, "Waste heat recovery of passenger car using a combination of Rankine bottoming cycle and evaporative engine cooling system," SAE Technical Paper-930880 

  3. T. Endo, S. Kawajiri, Y. Kojima, K. Takahashi, T. Baba, S. lbaraki, T. Takahashi and M. Shinohara, 2007, "Study on Maximizing Exergy in Automotive Engines," 2007 SAE 2007-01- 257 

  4. D. A. Arias, T. A. Shedd and R. K. Jester, 2006, "Theoretical Analysis of Waste Heat Recovery from an Internal Combustion Engine in a Hybrid Vehicle", 2006 SAE 2006-01-1605 

  5. A. Boretti, 2012, "Recovery of exhaust and coolant heat with R245fa organic Rankine cycles in a hybrid passenger car with a naturally aspirated gasoline engine", Applied Thermal Engineering, Vol. 36, pp. 73-77 

  6. K. Kim, 2010, "Development of steam powered co-generation system for automobile fuel consumption improvement", Ministry of Knowledge Economy Technical Report(1), pp. .15-85 

  7. J. S. Yu, H. J. Kim and H. J. Kim, 2011, "Design of a scroll expander for waste heat recovery from engine coolant", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 23, No. 12, pp. 815-820 

  8. Visual Basic 6.0, Microsoft Visual Basic Studio 6.0 

  9. Refprop 8.0, "Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties", NIST Standard Reference Data base 23, Version 8.0 

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