An expander of an organic Rankine cycle is an essential component that significantly influences its entire performance and cycle efficiency. The inlet pressure and temperature of the expander used for the organic Rankine cycle are limited by the expander's mechanical properties and the characteristics of the working fluid. The organic Rankine cycle's output, heat absorption, and efficiency are altered by the inlet pressure and temperature of the expander. In this study, a theoretical comparative analysis was conducted on an organic Rankine cycle's performance changes, which are dependent on the inlet condition of the expander. The working fluid is an R134a refrigerant, and the expander is a positive-displacement type.
In this Study, efficiencies of the scroll expander under development for organic Rankine cycle using engine waste heat of vehicle have been analyzed and compared with the commercial scroll expander. While operating organic Rankine cycle for analysing expander efficiencies, power of expander, inlet temperature of expander, inlet pressure of expander and the flow rate of the working fluid(refrigerant R134a) have been measured. Overall efficiency of the expander has been shown the very low level compared with the overall efficiency of the commercial expander. Especially, because the low volumetric efficiency has much effect on overall efficiency, the working fluid leakage trouble of expander has to be solved surely for improvement of the expander overall efficiency.
In this study, performances of the vane expander protype for micro organic Rankine cycle with refrigerant R134a as a working fluid have been analyzed. While operating organic Rankine cycle for analysing expander efficiencies such as overall efficiencies, volumetric efficiencies and mechanical efficiencies under $110^{\circ}C$ of expander inlet temperature, the power of the expander, inlet temperature of expander, inlet pressure of expander and the flow rate of the working fluid(refrigerant R134a) have been measured while varying the rotational speed of the expander. It was found that the more the expander revolution speed is high, the more the expander power, overall efficiencies and volumetric efficiencies are higher. In case of 500 rpm of rotational speed, overall efficiencies are 6~7% and in case of 1000 rpm, overall efficiencies are 11~12%. We have found that low volumetric efficiencies result in poor overall efficiencies.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.23
no.3
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pp.104-111
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2019
A separate type rotary engine consisting of a compressor and an expander is under development. The engine motoring, compressor pressure, and fuel combustion have been tested with the initial prototype for operability checks of the mechanism. This paper describes an engine cycle analysis method designed specifically for this new-concept engine. The unique operational mechanism of the engine and the thermodynamic properties of each step of air intake, compression, filling of combustion chamber, combustion, expansion and exhaust were analyzed. The cycle efficiencies of this engine according to various engine design parameters as well as the cooling effect of compressed air between the compressor and expander can be easily calculated with this method; further, some case studies are presented in this paper.
Kim, Young Min;Shin, Dong Gil;Kim, Chang Gi;Woo, Se Jong;Choi, Byung Chul
Journal of Energy Engineering
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v.21
no.4
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pp.411-418
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2012
The effect of built-in volume ratio of expander on the performance of a two-loop Rankine cycle system for engine waste heat recovery of vehicle has been investigated. In the case of positive displacement expander in the various operating condition of the vehicle, it can operate in both under-expansion and over-expansion conditions. Therefore, the analysis of off-design performance for the expander is very important. Furthermore, the volume and weight of the expander as well as the efficiency must be considered in the optimization of the expander. This study shows that the built-in volume ratio of expander causing under-expansion at a target condition is more desirable considering the off-design performance and size of the expander, based on the simple modeling of off-design operation of the expander.
Ha, Donghwi;Roh, Tae-Seong;Lee, Hyoung Jin;Yoo, Phil Hoon
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.24
no.5
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pp.21-33
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2020
In this study, the program for system analysis of an expander cycle rocket engine using liquid hydrogen as a fuel was developed. The properties of hydrogen were considered by the ratio of isomers with temperature. The analysis procedure was established with the open and closed types of the expander cycle engine and the simulation methods were suggested for each component. To validation of the analysis program, we compared the performance of the engine operating point and the analysis results performed overseas for Vinci and SE-21D, which are expander cycle engines. As a result of the analysis, the main performance factors of the system, such as the mass flow of the propellant, specific thrust, and power, except for some of the inaccurate input information, showed high accuracy with an error of around 1-2%.
Kim, Young Min;Shin, Dong Gil;Kim, Chang Gi;Woo, Se Jong;Choi, Byung Chul
Journal of Energy Engineering
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v.21
no.4
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pp.402-410
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2012
A two-loop Rankine cycle for engine waste heat recovery of gasoline vehicle has been investigated. Water-steam cycle as a high-temperature (HT) loop for exhaust gas heat recovery and R-134a cycle as a low-temperature (LT) loop for both heat recovery of the engine coolant and the residual heat from the HT loop were considered. Energy and exergy analysis was performed to investigate the performance of the system. Because two volumetric expanders are used for the HT and LT loop, the sizes of two expanders are very important for the optimization of the system. The effects of pressure ratio of the HT loop, considering the size of the HT expander, and the condensation temperature of LT loop on the performance of the system at a target engine condition were investigated. This study shows that about 20% of additional power from the engine waste heat recovery can be obtained at the target engine condition.
Baek, Seungdong;Sung, Taehong;Lee, Minseok;Kim, Kyung Chun
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.20
no.5
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pp.50-56
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2016
In this work, the open-drive oil free air compressor is modified to activate an organic Rankine cycle system as an expanding machine. The shape of the modified scroll expander case is a rectangular parallelepiped and the size of the case is $0.0394m^3$. The scroll expander is operated in an ORC using R245fa as working fluid with various working conditions for the performance test. The test data points are used to calculate the parameters of the scroll expander semi-empirical simulation model. The simulation results are compared with the experimental results to validate the simulation model.
The High Temperature Superconducting power cables (HTS power cables) become increasingly longer to commercialize the HTS power cable system. Accordingly, demands on refrigerators of large cooling capacity per a unit system have been increased. In Korea, it is currently imported from abroad with the high price due to insufficient domestic technologies. In order to commercialize the HTS power cables, it is necessary to develop the refrigerators with large cooling capacity. The Brayton refrigerators are composed of recuperative heat exchangers, compressors and cryogenic turbo expanders. The most directly considering the efficiency of the Brayton refrigerator, it depends on performance of the cryogenic turbo expander. Rotating at high speed in cryogenic temperature, the cryogenic turbo expanders lower temperature by expanding high pressure of a helium or neon gas. In this paper, the reverse Brayton cycle is designed and the cryogenic turbo expander is designed in accordance with the thermodynamic cycle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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