For 10 kW-class Stirling engine using scroll expander and scroll compressor, considerations on thermal expansion of the fixed and orbiting scroll members of the scroll expander due to high gas temperature at the expander inlet has resulted in adopting of the keys between the fixed scroll and main frame for the fixed scroll side and spring type insertion between the orbiting scroll base plate and supporting holders for orbiting scroll side. Dynamic analysis on the fixed and orbiting scroll members and the shafts of the scroll expander showed that using of these devices for complying thermal expansion caused large variations of the forces acting on the fixed scroll keys and on the power transmitting shafts and also on the shaft bearings.
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.
Kim, Woo-Young;Kim, Hyun-Jin;Kim, Young-Min;Lee, Sang-Tae
Proceedings of the SAREK Conference
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2007.11a
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pp.397-403
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2007
In this paper, conceptual design of scroll expander-compressor for Stirling engine utilizing solar energy as heat source has been carried out. Orbiting scroll member was designed to have a double-sided structure to reduce the overall scroll size and to cancel out the axial forces on the orbiting scroll base plate. Diameter of designed scroll base plate was about 251 mm for the expander, and it was about 218 mm for the compressor. With operating condition such as temperature range of $400^{\circ}C/20^{\circ}C$, pressure range of 6 MPa/2 MPa, and shaft speed of 2700 rpm, the shaft output of the designed scroll expander was calculated to be 49.8 kW, while input power for the scroll compressor was 38.6 kW, yielding 11.2 kW for the output power of the Stirling engine. Overall efficiencies of the scroll expander and compressor were 93.73% and 92.87%, respectively.
Song, Wonbin;Kwak, Chul Woo;Kim, Tae Kyun;Kim, Ju Young;Kim, Kwang Ho
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.19
no.6
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pp.50-54
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2016
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%.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.21
no.2
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pp.94-102
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2009
Conceptual design of scroll expander and scroll compressor for 10kW-class Stirling engine utilizing solar energy as heat source has been carried out to estimate the applicability of scroll mechanism for Stirling cycle. CO2 was chosen as working fluid, since it has lower expansion index and higher density among probably usable gases. Gas temperature at the expander inlet was set at $700^{\circ}C$, and that at the compressor inlet was at $40^{\circ}C$. System efficiency reached maximum at the pressure ratio of about 2.5, and the peak efficiency increased with increasing high side pressure. Due to safety concern, the pressure condition of 6 MPa/2.5 MPa was chosen as design condition. Orbiting scroll members for the expander and compressor were designed to have double-sided structure in order to reduce the overall scroll size and to cancel out the axial gas forces acting on the orbiting scroll base plate. By parametric study on the scroll profile, smaller possible size for the scroll members was obtained. With the shaft speed of 3600rpm, the shaft output of the designed scroll expander was calculated to be 45.4kW, while input power for the scroll compressor was 34.5kW, yielding 10.9kW for the output power of the Stirling engine. System efficiency was estimated to be about 7.3%, and overall efficiencies of the scroll expander and compressor were around 84.1% and 88.3%, respectively.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.26
no.3
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pp.122-129
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2014
In order to extract shaft power from thermal energy in a R134a Rankine cycle as waste heat recovery system of a passenger car, a scroll expander has been designed. Algebraic spiral is adopted as the base curve for scroll wrap profile in the compact scroll design. About 19% reduction in scroll diameter is accomplished when compared to the conventional involute scroll. Performance analysis on the designed scroll expander shows that the expander efficiency is 85.5% at the vehicle speed of 120 km/hr and it decreases to 67.2% at 60 km/hr, provided that the scroll clearance is kept at 10 ${\mu}m$. The expander can produce shaft power equivalent to about 13~14% of the driving power within the speed range of 60~120 km/hr.
This paper introduces a conceptual design of a combined scroll expander-compressor unit for a fuel cell. Since air discharged out of the fuel cell stack has still high pressure energy, some power can be extracted from the air by directing it to pass through an expanding device. Such extracted power can be used to drive an auxiliary compressor. For this purpose, a scroll type expander coupled to a scroll type compressor was designed for a 1kW-class fuel cell. The orbiting scroll members of the expander and the compressor were made to share three of common drive shafts installed in the mid frame plate. Performance analysis for the combined expander-compressor unit showed that the installation of this unit could reduce the auxiliary power consumption in the fuel cell by about 42%.
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.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.23
no.12
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pp.815-820
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2011
A scroll expander was designed for an energy converter from waste heat of IC engine coolant to useful shaft work. The scroll expander is to run in a Rankine cycle which receives heat energy transferred from engine coolant circulation cycle. The working fluid was Ethanol. For axial compliance, a back pressure chamber was provided on the rear side of the orbiting scroll. Lubrication oil was delivered by a positive displacement type oil pump driven by the shaft rotation. Performance analysis on the scroll expander showed that the expander efficiency was 63.4%. It extracts shaft power of 0.6 kW out of engine coolant waste heat of 17.5 kW, resulting in the Rankine cycle efficiency of 3.43%.
This paper introduces conceptual design of scroll expander-compressor unit for fuel cell. Since air discharged out of the fuel cell stack after reaction has still high pressure energy, some power can be extracted out of it by directing it to pass through an expanding device so that the extracted power can be used to drive an auxiliary compressor. For this purpose, a scroll type expander coupled to a scroll type compressor was designed: orbiting scroll of the expander and that of the compressor were made to share three of common drive pins installed in the mid frame plate, and central cavity in the mid-plate was used as a back pressure chamber to provide axial compliance for both orbiting scrolls. Performance analysis for the expander showed that the shaft power of the expander could reduce the auxiliary power consumption in the fuel cell by about one third at the scroll clearance of $10{\mu}m$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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