본 연구에서는 자동차용 엔진 폐열 회수 유기랭킨사이클에 적용하기 위해 개발 중인 스크롤 팽창기의 효율을 상용 스크롤 팽창기와 비교 분석을 수행하였다. 팽창기 효율 특성 시험을 위해 유기랭킨사이클을 운전하면서 팽창기 출력, 팽창기 입구 온도, 압력 및 작동유체(냉매 R134a)의 유량을 측정하였으며, 개발 중인 스크롤 팽창기의 전효율은 상용 스크롤 팽창기의 전효율에 비해 매우 낮은 수준을 나타내었다. 특히 팽창기 내부의 작동유체 누설에 의한 체적효율 저하가 전효율 저하에 큰 영향을 주는 것으로 파악되었기 때문에 향후 팽창기 효율 향상을 위해 팽창기 내부의 누설문제를 필히 해결해야할 것으로 분석되었다.
Scroll compressor has been used extensively for refrigeration since the early 1980's for its improved efficiency, greater reliability, smoother operation, lower noise and vibration. And also, nowadays, the scroll mechanism is used for expander even though in niche market yet. But scroll expander has not been used for high-temperature and high-pressure gas, because the continuous expansion of the gas causes a wide range of temperature distribution over the whole scroll wrap that leads to differential thermal expansion of scroll elements, which results in system vibrations, noise and efficiency losses. For the scroll expander to produce power more efficiently, all of radial and radial clearances between scroll wrap must be the same. In order to reduce differential thermal expansion in addition to improvements in thermal efficiency and specific power, we propose a scroll expander with heating structure. Heat-pipe heating structure is considered as the most effective method to heat the scroll expander at a uniform temperature. This paper includes some results of preliminary study of the scroll expander with heating structure and proposals of their systems for power generation and refrigeration.
An algebraic scroll expander has been fabricated and tested in a R134a Rankine cycle with heat source of 20 kW. For the operating conditions of 20~26 bar and $90{\sim}93^{\circ}C$ at the expander inlet and 8~9 bar at the outlet, the expander produced the shaft output power of about 0.6~0.7 kW in the operating speed range of 1500~2000 rpm. These correspond to the expander efficiency of 40~45%. The volumetric efficiency increased with increasing of the expander speed, reaching to 80% at 2000 rpm. Comparing to numerical simulation results, mechanical efficiency from the test data was found to be considerably low by as much as 30%, indicating that reduction in the frictional loss should be made to improve the scroll expander efficiency.
The performance of a scroll expander is the most important factor for the efficiency of small scale Organic Rankine cycle waste heat power generation systems. In this research, a scroll compressor was purchased and operated in reverse to function as a scroll expander. With air as a working fluid, a series of performance test were conducted on this expander by varying the inlet and outlet pressure. Secondly, We have tested through 2000 to 3500 rpm rotational speed to find the maximum power and efficiency of the expander. And last, It was observed in the initial experiments that the design of the expander's orbiting scroll wrap partially blocked the fluid intake which may have caused unnecessary flow resistance. To verify this theory, a small part of the scroll wrap was removed and the performance test was redone. It was observed that the lower back pressure assure the higher efficiency and power of expander and the rotational speed that shows maximum adiabetic efficiency of scroll expander is 69% at 2500 rpm. And by modified wrap of the scroll, we could get volume flow rate for 13% to 19% and power for 5% to 18% increased. But the maximum efficiency of the modified scroll was decreased 8%.
A steam Rankine cycle was considered to recover waste heat from the exhaust gas of an automobile. Conceptual design of a swash plate type expander was practiced to convert steam heat to shaft power. With the steam pressure and temperature of 35 bar and $300^{\circ}C$ at the expander inlet, respectively, the expander was estimated to produce the shaft power output of about 1.93 kW from the exhaust gas waste heat of 20 kW. The expander output increased linearly accordingly to the amount of exhaust gas waste heat in the range of from 10-40 kW, and the Rankine cycle efficiency was more or less constant at about 9.6% regardless of the waste heat amount.
FPSO (Floating Production Strorage and Offloading) method for LNG industry is efficient and facile compared to onshore NG (Natural Gas) treatment facility. Five simple natural gas liquefaction cycles for FPSO are presented and simulated in this paper. SMR (Single Mixed Refrigerant) cycle, SNE (Single Nitrogen Expander) cycle, DNE (Double Nitrogen Expander) cycle, PNE (Precooled Nitrogen Expander) cycle, and PDNE (Precooled Double Nitrogen Expander) cycle are compared. Simple analysis results in this paper show that precooling process and adding an expander in the liquefaction cycle is an effective way to increase liquefaction efficiency.
A $CO_2$ cycle shows large throttling loss during the expansion process. The application of an expander into the $CO_2$ cycle can reduce the throttling loss and then improve system performance. In this study, the performance of a transcritical $CO_2$ cycle with an expander was analytically investigated in order to improve the cooling performance of the system. The expander was applied to the single-stage and two-stage compression cycles. The performance was analyzed with the variations of compressor frequency, outdoor temperature, and expander efficiency. The single-stage and two-stage compression cycles with the expander showed COP improvement of 25% and 32%, respectively, over the single-stage cycle with an EEV.
유기랭킨사이클에서 팽창기는 전체 성능과 사이클 효율에 큰 영향을 미치는 중요 부품이다. 유기랭킨사이클에 적용되는 팽창기는 입구 압력과 온도가 팽창기 기계적 특성이나 작동유체 특성 등에 의해 제한받게 되는데, 유기랭킨사이클은 팽창기 입구압력과 온도에 따라 사이클 출력, 흡수 열량 및 효율 등이 변화하게 된다. 본 연구에서는 용적형 팽창기가 적용되는 작동유체 냉매 R134a인 유기랭킨사이클의 성능이 팽창기 입구조건에 따라 유기랭킨사이클의 성능이 어떻게 변화하는지 이론적으로 비교 분석을 수행하였다.
In this paper, the feasibility study on a gerotor type expander as a power converting device in a small scale power generation ORC system was made by performance analysis of the gerotor expander. Design of a 1kW-class gerotor expander was carried out and its performance was numerically simulated. For a R134a Rankine system with about 20 kW solar heat source, the gerotor expander efficiency was calculated to be 35~75% for the operating conditions of $Te=80{\sim}100^{\circ}C$ and $Tc=30{\sim}60^{\circ}C$. Maximum expander efficiency was obtained at an expansion ratio somewhat higher than the design expansion ratio due to pre-expansion during suction process inside the outer and inner rotor mate. If the operating expansion ratio is not far from the design expansion ratio, the gerotor expander performance can be well compared to that of a scroll type.
Relatively low cycle performance of a conventional $CO_2$ system is partly due to significant increase in friction loss in the expansion process, since the pressure drop across the expansion device is considerably large compared to a conventional refrigeration cycle. To recover friction loss and increase refrigeration effect by providing isentropic expansion, a rotary vane type expander has been designed. Performance of the designed expander has been investigated by numerical simulation. With the pressure condition of 9 MPa/4.5 MPa and inlet temperature of $35^{\circ}C$, volumetric, isentropic, and mechanical efficiencies of the expander are calculated to be 58.1%, 101.1%, and 78.8%, respectively, resulting in total expander efficiency of 46.3%. With this expander, COP of a $CO_2$ refrigeration cycle is estimated to be improved by about 14%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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