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질소 분사 압력이 액화질소 엔진의 성능 특성에 미치는 영향
Effect of Nitrogen Injection Pressure on Lqiufied Engine Performance 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.26 no.1, 2017년, pp.28 - 33  

신동길 (한국기계연구원)

초록
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액화질소 엔진은 유해 배출물질을 전혀 배출하지 않는 고청정 동력기관이며, 에너지 밀도면에서 배터리에 비해 크기 때문에 전기자동차에 대한 경쟁력을 가지고 있다. 기존의 액화질소 엔진은 주로 왕복동 방식에 국한되어 왔다. 본 논문에서는 스크롤 팽창기를 적용하는 액화질소 엔진의 개념을 도입하였다. 스크롤 팽창기를 엔진에 적용할 경우 엔진 효율이 증가할 수 있고, 구조의 단순화 구현이 가능하여 기존 왕복동 방식 엔진에 비해 기술적, 경제적 경쟁력을 가질 수 있다. 본 연구에서는 액체 질소 분사압력을 변화시키면서 스크롤 팽창기가 적용된 액화질소 엔진의 성능을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A liquid nitrogen engine is a highly clean power engine, which does not emit any hazardous substances in its fumes. Additionally, it has an advantage over electric vehicles, as its energy density is larger than that of a battery. The use of an existing liquid nitrogen engine is typically limited to ...

주제어

#액화질소 엔진   #스크롤 팽창기   #질소 분사  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존의 극저온 유체를 이용하는 엔진은 대부분 왕복동 방식 엔진에 국한되어 왔으며, 본 논문에서는 스크롤 팽창기를 적용하는 액화질소 엔진을 소개하고,액체 질소 분사압력을 변화시키면서 스크롤 팽창기가 적용된 액화질소 엔진의 성능을 분석하였다

가설 설정

  • 질소를 분사하는 펌프의 효율은 80%로 정의하였고, 분사 압력(Injection pressure)은 5∼100 bar로 변화시키면서 엔진 성능 변화를 분석하고자 한다. 고온 부인 대기의 온도는 20℃로 설정하였고, 대기압은 1bar로 정하여 팽창기 저압부 온도와 동일하다고 가정하였다.
  • 액체질소 분사 압력 변화에 대한 액화질소 엔진 성능 특성 분석을 위해 스크롤 팽창기의 제원과 랭킨 사이클의 분석 조건을 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 랭킨사이클의 작동유체는 질소(Nitrogen)로 선정하였고, 전 사이클에서 열손실 및 압력손실은 없는 것으로 가정하였다. 팽창기의 행정체적은 1회전당 작동유체흡입 부피량으로 정의되며, 본 연구에서는 양산되어 판매되고 있는 스크롤 팽창기의 행정체적으로 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
팽창기의 행정체적은 무엇인가? 랭킨사이클의 작동유체는 질소(Nitrogen)로 선정하였고, 전 사이클에서 열손실 및 압력손실은 없는 것으로 가정하였다. 팽창기의 행정체적은 1회전당 작동유체흡입 부피량으로 정의되며, 본 연구에서는 양산되어 판매되고 있는 스크롤 팽창기의 행정체적으로 결정하였다. 액체질소 저장 용기의 온도는 -200℃로 고정하였고, 압력은 해당 온도의 포화압력(Saturation pressure)로 정하였다.
액화질소엔진은 무엇이고 기존의 폐쇄형 랭킨사이클과의 차이는 무엇인가? 본 논문에서는 스크롤 팽창기를 적용하는 액화질소엔진에 대해 소개하고, 액체 질소 분사압력을 변화시키면서 스크롤 팽창기가 적용된 액화질소 엔진의 성능을 분석하였다. 액화질소 엔진은 대기(Atmosphere)가 고온부인 저온에서 작동하는 개방형 랭킨사이클로서, 기존의 폐쇄형 랭킨사이클과의 차이는 팽창된 작동유체를 응축과정 없이 대기로 방출시킨다는 점이다. 스크롤 팽창기를 적용 액화질소 엔진은 기존의 왕복동 방식의 팽창기를 적용하지 않고 스크롤 팽창기를 이용한다는 주요한 특징을 가지며, 스크롤 팽창기는왕복동 방식의 팽창기에 비해 저소음, 고효율 및 간단한 구조의 장점을 가지고 있어, 액화질소 엔진에 적용하면 왕복동 방식 엔진보다 기술적, 경제적 경쟁력 우위를 가질 수 있다.
액화 질소와 같은 극저온 유체의 연로로서 사용하는 동력기관의 장점은 무엇인가? 배터리를 이용하는 전기 자동차는 내연기관에 비해 크지 않으나 점차 많은 비중을 차지하여 나가고 있지만, 전기차의 대용량 배터리는 수명이 다하고 폐기되는 과정에서 중금속에 의한 환경 오염을 일으킬 수 있으며,배터리 재장착 비용 또한 고가여서 자동차 사용자들에게 경제적 부담을 줄 수 있다. 액화 질소와 같은 극저온 유체를 연료로서 사용하는 동력기관은 작동과정에서 유해배출가스를 전혀 배출하지 않을 뿐만 아니라 대용량 배터리에 폐기에 의한 중금속 오염 등 환경에 유해한 영향을 전혀 주지 않는 고청정 동력기관이라 할 수 있다.(1),(2) 납축전지(Lead-acid battery)는 180∼300 kJ/kg의 에너지 밀도를 가지고 있는 반면, 액화 질소는 796kJ/kg-LN2의 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에, 1회 충전 주행거리면에서도 전기자동차에 비해 강점을 가지고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Knowlen, C., Williams, J., Mattick, A., Deparis, H., Hertzberg, A. "Quasi-Isothermal Expansion Engines for Liquid Nitrogen Automotive Propulsion", SAE 972649, 1997 

  2. Knowlen, C., Mattick, A., Bruckner A.P., Hertzberg, A. "High Efficiency Energy Conversion Systems for Liquid Nitrogen Automobiles", SAE 981898, 1998 

  3. Ahmad, A., Al-Dadah, R., Mahmoud, S.,"Liquid nitrogen energy storage for air conditioning and power generation in domestic applications", Energy Conversion and Management, Vol 128, pp34-43, 2016. 

    상세보기 crossref

  4. Ordonez CA, Plummer MC., "Cold thermal storage and cryogenic heat engines for energy storage applications", Energy Sources, 19(4):pp389-96.1997. 

    상세보기 crossref

  5. Ordonez CA, Plummer MC, Reidy RF, "Cryogenic heat engines for powering zero emission vehicles", In: Proceedings of 2001 ASME international mechanical engineering congress and exposition, US, IMECE 2001 Nov 11. 

  6. Youngmin Kim, Dongkil Shin, Janghee Lee, Kwenha Park, "Noble Stirling Engine Employing Scroll Mechanism", Proceedings of the 11th International Stirling Engine Conference, pp. 67-75, 2003. 

  7. Richard E. Sonntag, Introduction to Thermodynamics, 1982. 

  8. Hong, G. D., 2002, The experimental studies of vacuum residue combustion in a small scale reactor, KOSEE, Vol. 6, No. 2, pp. 19-30 

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