In this paper, we developed the dynamic model of a fuel cell system suitable for controller design and system operation. The transient phenomena captured in the model include the flow characteristics and inertia dynamics of the compressor, the intake manifold filling dynamics, oxygen partial pressures and membrane humidity on the fuel cell voltage. In the simulations, we paid attention to the transient behavior of stack voltage and compressor pressure, stoichiometric ratio. Simulation results are presented to demonstrate the model capability. For load current following, stack voltage dynamic characteristics are plotted to understand the Electro-chemistry involved with the fuel cell system. Compressor pressure and stoichiometric ratio are strongly coupled, and independent parameters may interfere with each other, dynamic response, undershoot and overshoot.
The hermetic reciprocating compressor driven by the BLDC motor rotating with variable speeds, is modelled and analyzed for dynamic characteristics. The governing equations of piston, connecting rod and crank-shaft of the reciprocating compression mechanism and characteristics of driving torque of the motor are obtained. Dynamic behavior of the crankshaft supported on 2 journal bearings is analyzed considering compression load and eccentric unbalance for the 4 rotating speeds of crankshaft. And. reaction forces generated from oil film in the journal bearings are analyzed under transient condition using Reynolds' equation. To take into account the dynamic characteristics depending on the variable rotating speeds, comparison on the dynamic behavior of crank-shaft is made for the 4 operating modes of the compressor. Results show that the magnitude of crankshaft locioperating on the lower rotating speeds is more larger than the higher ones due to reduction of inertia force of the reciprocating piston.
The object of this study is structure analysis of vehicle air compressor. Structure analysis is compose to nodal solution and element solution using ANSYS code. Then analysis is partition to head part, cylinder and piston part of vehicle air compressor. Stress and strain results are satisfy to Von Mises yield criterion.
This study analyzed the variations in the performance and operation of a 200 kW class micro gas turbine according to performance degradation of compressor and turbine. An in-house code, developed by the present authors and presented in the first part of these series of papers, were used for the analysis. The degradation of compressor and turbine were simulated by modifications in the their performance maps: mass flow rate, pressure ratio and efficiency were decreased from the reference values. Firstly, the variations in the operating conditions (air flow rate, pressure ratio) were predicted for the full load condition. Then, the same analysis were performed for a wide partial load operating range. The change in engine's performance (power output and efficiency) due to the component degradation was predicted. In addition, the change in the compressor surge margin, which is an important indicator for safe engine operation, was evaluated.
The basic elements in a rotary-type scroll compressor are two identical spiral scrolls containing refrigerant gas. The pressure variations in the compression pockets of a scroll compressor change the forces acting on the orbiting scroll, and these forces affect the dynamic behavior of the compression mechanism parts. To achieve high efficiency, using a self-sealing mechanism as a tip seal mechanism is very effective. Tip seals, which are placed on top of the scroll wraps, accomplish thrust sealing. This study calculates the friction force between the tip seal and the side plate of a scroll compressor using the numerical model considered in the Reynolds equation. The calculated friction force is verified by an experiment using a pin-on-disk apparatus. A hydraulic servo valve that controls the pressure of the oil hydraulic cylinder applies the normal load for the test, and a DC servo motor controls the sliding velocity of the disk. The friction force and normal load are measured by the force sensors attached to the supporting parts. The results show that the theoretical and experimental results are similar and that the friction is influenced by the viscosity of the oil and the sliding velocity of the scroll.
The stringent emission regulation and future shortage of fossil fuel motivate the research of alternative powertrain. In this study, a system of proton exchange membrane fuel cell has been modeled to analyze the performance of the fuel cell system for automotive application. The model is composed of the fuel cell stack, air compressor, humidifier, and intercooler, and hydrogen supply which are implemented by using the Matlab/Simulink(R). Fuel cell stack model is empirical model but the water transport model is included so that the system performance can be predicted over various humidity conditions. On the other hand, the model of air compressor is composed of motor, static air compressor, and some manifolds so that the motor dynamics and manifold dynamics can be investigated. Since the model is concentrated on the strategic operation of compressor to reduce the power consumption, other balance of components (BOP) are modeled to be static components. Since the air compressor model is empirical model which is based on curve fitting of experiments, the stack model is validated with the commercial software and the experiments. The dynamics of air compressor is investigated over unit change of system load. The results shows that the power consumption of air compressor is about 12% to 25% of stack gross power and dynamic response should be reduced to optimize the system operation.
Jinze Pei;Yuanyang Zhao;Mingran Zhao;Guangbin Liu;Qichao Yang;Liansheng Li
Nuclear Engineering and Technology
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제55권8호
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pp.2812-2822
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2023
The supercritical carbon dioxide (sCO2) Brayton power cycle is more effective than the conventional power cycle and is more widely applicable to heat sources. The inlet working conditions of the compressor have a higher influence on their operating performance because the thermophysical properties of the CO2 vary dramatically close to the critical point. The flow in the sCO2 compressor is simulated and the compressor performance is analyzed. The results show that the sCO2 centrifugal compressor operates outside of its intended parameters due to the change in inlet temperature. The sCO2 compressor requires more power as the inlet temperature increases. The compressor power is 582 kW when the inlet temperature is at 304 K. But the power is doubled when the inlet temperature increases to 314 K, and the change in the isentropic efficiency is within 5%. The increase in the inlet temperature significantly reduces the risk of condensation in centrifugal compressors. When the heat load of the sCO2 power system changes, the inlet pressure to the turbine can be kept constant by regulating the rotational speed of compressors. With the increase in rotational speed, the incidence loss and condensation risk increase.
This paper presents leakage characteristics of a scroll compressor applying alternative refrigerants of R22 such as R407c and R410a under actual operating conditions. Because leakage in a scroll compressor produce significant losses and degradation of performance, those should be clarified to design a high efficient scroll compressor with alternative refrigerants of R22. However, flank and tip leakage characteristics of a scroll compressor with alternative refrigerants are very limited in open literature. In the present study, both experimentation and modeling of the leakages in the scroll compressor were performed. As a result, it was observed that the leakages of the scroll compressor with R407c increased by 15%, and that with R410a increased by 76% as compared to the compressor applying R22 under standard load conditions due to a higher upstream pressure and a higher pressure difference between pockets.
In this study, an air conditioning system using carbon dioxide as a refrigerant was developed for automotive cabin cooling. Experiments have been carried out to examine the steady state and dynamic characteristics of this system. The system consists of a compressor, a gas cooler, an evaporator, an expansion device, an internal heat exchanger and an accumulator. The compressor is a variable displacement type, driven by the electric motor, and the gas cooler and the evaporator are aluminum extruded heat exchangers of micro channel type. The $CO_2-refrigerant$ charge, the compressor speed, the air inlet temperature of the gas cooler, the air inlet temperature and the air flow rate of the evaporator and the cooling load are varied and the performance of the system is experimentally investigated. As the compressor speed increased, cooling capacity increased, but the coefficient of performance was deteriorated. As the cabin air temperature or the air flow rate to the cabin was set high, both the cooling capacity and the COP increased. In the cool down experiment with 1.0 or 2.0 kW of heat load, the dynamic characteristics of the air-conditioning system were investigated. For a given capacity of compressor, cool down speed was monitored, and the temperature change was acceptable fur low heat load condition.
Fracture, fatigue and wear characteristics of Al-Si alloy used for compressor are experimentally studied. Plane strain fracture toughness test is carried out using three point bending specimen. Fatigue test is performed under constant loading condition and wear test is carried out as a function of sliding velocity and applied load. To obtain the crack propagation characteristics and wear mechanism of Al-Si alloy, fracture and worn surfaces are investigated using SEM. It is verified that fracture and fatigue strength of Al-Si alloy are improved by the fine microstructure of alloy. The wear behavior and specific wear amount of Al-Si alloy are not dependent on the microstructure but on a function of the silicon content. Anodizing on the surface of Al-Si alloy, surface hardness and wear characteristics are improved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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