액체 질소 엔진

Liquid nitrogen engine

액체질소차는 탱크에 저장된 액체질소로 구동된다.기존의 질소 엔진 설계는 열 교환기에서 액체 질소를 가열하고, 외부 공기에서 열을 추출한 후 가압 가스를 사용하여 피스톤 또는 회전 모터를 작동시키는 방식으로 작동합니다.액체 질소로 추진되는 차량은 시연되었지만 상업적으로 사용되지 않습니다.이러한 차량 중 하나인 리퀴드 에어는 1902년에 시연되었다.

액체 질소 추진은 배터리 전기 추진 및 배터리 재충전을 위한 연료 탱크와 같은 하이브리드 시스템에 통합될 수도 있다.이런 종류의 시스템은 하이브리드 액체 질소 전기 추진이라고 불립니다.또한 이 시스템과 함께 회생 제동도 사용할 수 있습니다.

액체 질소 차량의 장점 중 하나는 배기 가스가 단순히 공기의 성분인 질소이기 때문에 배기관 배기가스에 국소적인 공기 오염이 발생하지 않는다는 것입니다.처음부터 질소를 액화시키기 위해 에너지가 필요했기 때문에 오염이 완전히 없는 것은 아니지만, 액화 과정은 차량 작동으로부터 멀어질 수 있으며 원칙적으로 재생 에너지 또는 청정에너지원으로 구동될 수 있습니다.

묘사

액체 질소는 공기의 주요 성분인 질소(N2)를 액화시키는 극저온 또는 역방향 스털링[1][2][3] 엔진 냉각기에 의해 생성됩니다.냉각기는 전기 또는 수력 또는 풍력 터빈의 직접 기계적 작업을 통해 구동될 수 있습니다.액체 질소는 단열 용기에 분산 저장된다.단열재는 저장된 질소로 유입되는 열의 흐름을 줄여줍니다. 이는 주변 환경의 열이 액체를 끓게 하고 액체가 기체 상태로 전환되기 때문에 필요합니다.팽창 열을 줄이면 저장 시 액체 질소의 손실을 줄일 수 있습니다.저장소의 요건은 수송수단으로 파이프라인을 사용하는 것을 막는다.장거리 파이프라인은 단열요건 때문에 비용이 많이 들기 때문에 액체질소 생산에 원격 에너지원을 사용하는 것은 비용이 많이 든다.석유 매장량은 일반적으로 소비량과는 거리가 멀지만 주변 온도에서 이동할 수 있다.

액체 질소 소비는 본질적으로 역생산이다.스털링 엔진 또는 극저온 열 엔진은 차량에 동력을 공급하고 전기를 생산하는 방법을 제공합니다.액체 질소는 냉장고, 전기 장비 및 에어컨 장치의 직접 냉각제 역할을 할 수도 있습니다.액체 질소의 소비는 실질적으로 끓어오르고 질소를 대기 중으로 되돌리고 있다.

디어맨 엔진에서는 질소가 [4][5]엔진 실린더 내부의 열 교환 오일과 결합되어 가열됩니다.

2008년 미국 특허청은 액체 질소로 [6]구동되는 터빈 엔진에 대한 특허를 부여했다.터빈의 고압 부분에 분사된 액체 질소는 터빈의 플래시 팽창하고 팽창 가스는 유입되는 가압 공기와 결합하여 터빈 후면에서 배출되는 가스의 고속 흐름을 생성합니다.결과 가스 스트림은 발전기 또는 기타 장치를 구동하는 데 사용될 수 있습니다.이 시스템은 1kW [7]이상의 전기 제너레이터에 전력을 공급한다는 것이 입증되지 않았지만, 더 높은 출력이 가능할 수 있습니다.

카르노 사이클

액체 질소는 주변 온도보다 차갑지만 액체 질소 엔진은 열 엔진의 한 예입니다.열 엔진은 고온과 저온 저장소의 온도 차이에서 열에너지를 추출하여 작동합니다. 액체 질소 엔진의 경우 "핫" 저장소는 주변("상온") 공기로, 질소를 끓이는 데 사용됩니다.

이와 같이 질소엔진은 공기의 열에너지에서 에너지를 추출하고 있으며, 모든 열엔진에 적용되는 카르노 효율방정식을 이용하여 열역학 법칙에서 에너지를 변환하는 변환효율을 계산할 수 있다.

탱크

액체 질소를 저장하는 탱크는 ISO 11439와 [8]같은 압력 용기에 적합한 안전 표준에 따라 설계되어야 합니다.

액체 질소 탱크(터키 이즈미르)

저장 탱크는 다음과 같이 만들 수 있습니다.

섬유소재는 금속보다 상당히 가볍지만 일반적으로 더 비싸다.금속 탱크는 많은 압력 주기를 견딜 수 있지만 정기적으로 부식 여부를 점검해야 합니다.액체 질소 LN2는 일반적으로 대기압에서 최대 50리터의 절연 탱크에 담겨 운반됩니다.이러한 탱크는 비압축 탱크이므로 검사 대상이 아닙니다.LN2용 초대형 탱크는 사용 시 액체 이송을 돕기 위해 25psi 미만으로 가압되는 경우가 있습니다.

액체 질소 차량

액체 질소에 의해 추진되는 차량인 액체 공기는 1902년에 시연되었다.

2016년 6월 영국 런던에서 슈퍼마켓 J. Sainsbury의 식품 배달 차량에 대한 재판이 시작됩니다. 차량이 정지해 있고 메인 엔진이 꺼진 상태에서 식품 화물의 냉각을 위한 동력을 제공하기 위해 디어맨 질소 엔진을 사용합니다.현재 배달 트럭은 대부분 주 엔진이 [9]꺼졌을 때 동력을 냉각하기 위해 두 번째 소형 디젤 엔진을 가지고 있다.

배출량

다른 비연소 에너지 저장 기술과 마찬가지로 액체 질소 차량은 차량의 테일 파이프에서 중앙 전기 발전 플랜트로 배출원을 이동시킵니다.무배출원을 이용할 수 있는 경우 오염물질의 순생산을 줄일 수 있다.중앙 발전소의 배기 가스 관리 조치는 널리 분산된 차량의 배기 가스 배출을 처리하는 것보다 더 효과적이고 비용이 덜 들 수 있다.

이점

액체 질소 자동차는 많은 면에서 전기 자동차와 비슷하지만 배터리 대신 액체 질소를 사용하여 에너지를 저장한다.다른 차량에 비해 다음과 같은 잠재적 이점이 있습니다.

  • 전기 자동차와 마찬가지로 액체 질소 자동차는 궁극적으로 전기 그리드를 통해 전력을 공급받게 되며, 이는 도로 위의 수백만 대의 차량과 달리 한 곳에서 발생하는 오염을 줄이는 데 더 쉽게 집중할 수 있게 합니다.
  • 전기 배전망에서 전력이 공급되기 때문에 연료 수송이 필요하지 않습니다.이는 상당한 비용 이점을 제공합니다.연료 수송 중에 발생하는 오염은 제거될 것이다.
  • 유지 보수 비용 절감
  • 액체 질소 탱크는 배터리보다 오염이 적은 상태에서 폐기 또는 재활용할 수 있습니다.
  • 액체 질소 차량은 현재 배터리 시스템과 관련된 열화 문제에 의해 구속되지 않습니다.
  • 탱크는 배터리를 충전할 수 있는 시간보다 더 자주, 더 짧은 시간에 재충전할 수 있으며, 액체 연료에 버금가는 재연료 속도를 제공합니다.
  • 이 시스템은 가솔린 또는 디젤 엔진과 함께 복합 사이클 파워트레인의 일부로 작동하며, 한쪽의 폐열을 이용해 다른 한쪽을 터보 컴포지트 시스템에서 구동합니다.하이브리드 시스템으로도 사용할 수 있습니다.

단점들

주요 단점은 1차 에너지의 비효율적인 사용이다.에너지는 질소를 액화시키는데 사용되며, 질소는 모터를 작동시키기 위한 에너지를 공급한다.에너지의 전환은 손실을 가져온다.액체 질소 자동차는 질소의 액화 과정에서 전기에너지가 손실됩니다.

액체 질소는 공중 급유소에서는 사용할 수 없지만, 대부분의 용접 가스 공급업체에는 분배 시스템이 마련되어 있으며 액체 질소는 액체 산소 생산의 풍부한 부산물입니다.

비판

생산원가

액체 질소 생산은 에너지 집약적인 과정입니다.현재 액체 질소를 하루에 몇 톤 생산하는 실용적인 냉동 공장은 카르노 효율의 [10]약 50%로 가동되고 있습니다.현재 잉여 액체 질소는 액체 [4]산소 생산의 부산물로 생산된다.

액체 질소의 에너지 밀도

물질의 상변화에 의존하는 모든 과정은 물질의 화학 반응을 수반하는 과정보다 훨씬 낮은 에너지 밀도를 가질 것이고, 다시 핵 반응보다 낮은 에너지 밀도를 가질 것이다.에너지 저장소로서의 액체 질소는 에너지 밀도가 낮습니다.그에 비해 액체 탄화수소 연료는 에너지 밀도가 높다.높은 에너지 밀도는 운송과 저장의 로지스틱스를 더욱 편리하게 합니다.편리성은 소비자 수용의 중요한 요소이다.석유 연료의 편리한 저장과 저렴한 비용이 결합되어 타의 추종을 불허하는 성공을 이끌어냈다.또한, 석유 연료는 에너지 저장 및 운송 매체뿐만 아니라 일차 에너지원입니다.

이론적으로 대기압 및 27°C 주위 온도에서 액체 질소에서 실현 가능한 질소의 등압성 기화열과 기체 상태의 비열에서 도출된 에너지 밀도는 약 213와트시(W·h/kg)이며, 일반적으로 현실적인 상황에서는 97W·h/kg만 달성할 수 있다.이는 리튬 이온 배터리의 경우 100~250 W·h/kg, 가솔린 연소 엔진의 경우 3,000 W·h/kg의 열 효율로 작동하며, 이는 카르노 [11]효율에서 사용되는 액체 질소 밀도의 14배에 해당합니다.

등온팽창엔진이 내연엔진과 동등한 범위를 가지려면 350리터(92US gal) 절연탑재저장용기가 필요하다.[11]실용적인 용량이지만, 일반적인 50리터(13US) 가솔린 탱크에 비해 현저하게 증가했습니다.보다 복잡한 전원 사이클을 추가하면 이 요건이 줄어들어 서리가 발생하지 않는 동작이 가능하게 됩니다.그러나 차량 추진에 사용되는 액체 질소의 상업적인 예는 없습니다.

동상 형성

내연기관과는 달리 극저온 작동유체를 사용하려면 작동유체를 가열 및 냉각하기 위해 열교환기가 필요합니다.습한 환경에서는 서리가 형성되어 열흐름이 방지되므로 공학적 문제가 발생합니다.서리가 쌓이는 것을 방지하기 위해 여러 작동액을 사용할 수 있습니다.이렇게 하면 열 교환기가 동결 아래로 떨어지지 않도록 토핑 사이클이 추가됩니다.서리 없는 [11]작동을 가능하게 하려면 추가적인 열 교환기, 중량, 복잡성, 효율성 손실 및 비용이 필요합니다.

안전.

질소 연료 탱크의 단열재는 아무리 효율적이더라도 대기로의 증발로 인한 손실이 불가피합니다.차량을 환기가 잘 되지 않는 공간에 보관할 경우 질소 누출로 인해 공기 중 산소 농도가 저하되고 질식의 원인이 될 수 있습니다.질소는 이미 78%의 공기를 구성하는 무색 무취 가스이기 때문에 이러한 변화를 감지하기는 어려울 것이다.

극저온 액체는 흘릴 경우 위험합니다.액체 질소는 동상을 유발할 수 있고 일부 물질을 극도로 취약하게 만들 수 있습니다.

액체 질소가 90.2K보다 차갑기 때문에 대기 중의 산소가 응축될 수 있다.액체 산소는 [12]아스팔트와 같은 석유 제품을 포함한 유기 화학 물질과 자발적으로 격렬하게 반응할 수 있습니다.

이 물질은 액체 대 가스 팽창률이 1:694이기 때문에 액체 질소가 빠르게 기화하면 엄청난 힘이 발생한다.2006년 텍사스 A&M 대학에서 발생한 사건에서는 액체 질소 탱크의 압력 완화 장치가 황동 플러그로 밀봉되었다.그 결과, 탱크는 재앙적으로 실패했고 [13]폭발했다.

「 」를 참조해 주세요.

추가 정보

  • C.A. Ordonez, M.C. Plummer, R.F. Reidy, 2001 ASME 국제 기계 공학 콩그레스 및 박람회, 2001년 11월 11-16일 뉴욕, 뉴욕.
  • Kleppe J.A., Schneider R.N, "질소 경제", 호놀룰루, ASEE, Winter Meeting, HI, 1974년 12월.
  • Gordon J. Van Wylen과 Richard F.Sontag, 고전 열역학 기초 SI 버전 2 Ed.

레퍼런스

  1. ^ Balmer, Robert T. (2011). "14.15 Reversed Stirling Cycle Refrigeration". Modern Engineering Thermodynamics. Academic Press. ISBN 978-0-12-374996-3.
  2. ^ "Our History".
  3. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2013-02-03. Retrieved 2013-02-11.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사 (링크)시판 스털링 엔진 냉각
  4. ^ a b Raili Leino (2012-10-22). "Mullistava idea: Tulevaisuuden auto voi kulkea typpimoottorilla". Tekniikka&Talous (in Finnish). Archived from the original on 2013-09-01. Retrieved 2012-10-22.
  5. ^ "The Technology". Dearman Engine Company. 2012. Archived from the original on 2012-10-22.
  6. ^ Reyes, De Reyes, Edward (25 Jun 2013), Liquid nitrogen engine, retrieved 2016-11-18
  7. ^ "LN2 Turbine - Clean, Green Energy". www.nitroturbodyne.com. Retrieved 2016-11-18.
  8. ^ "ISO 11439:2000". ISO.
  9. ^ "Sainsbury's trials Dearman's world-leading cooling technology". Innovate UK.
  10. ^ J. Franz, C.A. Ordonez, A. Carlos, 전기 열용량 콘덴서를 사용한 극저온 열 엔진, 미국 물리학회, 텍사스 섹션 가을 회의, 2001년 10월 4-6일 포트워스, 텍사스 회의 ID: TSF01, 추상 #EC009/2001.비브코드:2001APS..TSF.EC009F
  11. ^ a b c Knowlen, C.; Mattick, A. T.; Bruckner, A. P.; Hertzberg, A. (1998-08-11). "High Efficiency Energy Conversion Systems for Liquid Nitrogen Automobiles" (PDF). Society of Automotive Engineers. SAE Technical Paper Series. Warrendale, PA. 1. doi:10.4271/981898. Archived from the original (PDF) on 2003-04-24 – via University of Washington College of Engineering.
  12. ^ Werley, Barry L. (Edt.) (1991)"산소 시스템 화재 위험"ASTM 테크니컬 프로페셔널 트레이닝필라델피아: ASTM 국제 소위원회 G-4.05.
  13. ^ Brent S. Mattox. "Investigative Report on Chemistry 301A Cylinder Explosion" (PDF). Texas A&M University. Archived from the original (reprint) on 2008-10-31.

외부 링크