용적형 팽창기 입구 조건 변화에 따른 유기랭킨사이클 성능 분석

신동길,Shin, Dong Gil 한국에너지학회 2017 에너지공학 Vol.26 No.1

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. 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.

피스톤이 없는 왕복동식 팽창기의 이론 및 실험적 연구

박세현(Sehyeon Park),박인명(Inmyong Park),정상권(Sangkwon Jeong) 대한설비공학회 2017 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.6

본 연구는 기존 왕복동식 팽창기에서 내부 피스톤이 제거된 형태의 팽창기에 대한 수치적 모델링과 함께 실험을 진행하였다. 팽창기의 성능을 예측하기 위하여 질량 보존, 에너지 보존 식을 이용하여 수치적 모델을 개발하였고, 직접 실험 장치를 설계하고 제작하여 실험을 진행하였다. 기본적인 수치 해석 모델은 오리피스 밸브(Orifice valve)와 버퍼(Reservoir)가 위상조절기를 구성하는 시스템에 대해 이루어졌다. 팽창기에서 가장 중요한 요소는 팽창 후 배기되어 나가는 기체의 엔탈피이므로 팽창기의 저온부에서 배기되어 나가는 기체의 온도를 예측하고 측정하였다. 고압부와 저압부가 각각 5 Bar, 1 Bar인 경우, 초기 시스템 온도가 약 296.5 K 인 동일한 조건에서 수치해석을 통해 약 277.1 K의 주기적 평형 상태 평균 배기온도를 예측하였으며, 실험적으로는 약 279.8 K의 주기적 평형 상태 평균 배기온도를 기록하였다. 추가적으로 오리피스 밸브를 관성관(Inertance tube)으로 대체하여, 관성관 내부 기체들의 관성 효과를 이용하고자 하였으며, 이에 대한 수치해석 또한 진행하였다.

질소 분사 압력이 액화질소 엔진의 성능 특성에 미치는 영향

신동길,Shin, Donggil 한국에너지학회 2017 에너지공학 Vol.26 No.1

액화질소 엔진은 유해 배출물질을 전혀 배출하지 않는 고청정 동력기관이며, 에너지 밀도면에서 배터리에 비해 크기 때문에 전기자동차에 대한 경쟁력을 가지고 있다. 기존의 액화질소 엔진은 주로 왕복동 방식에 국한되어 왔다. 본 논문에서는 스크롤 팽창기를 적용하는 액화질소 엔진의 개념을 도입하였다. 스크롤 팽창기를 엔진에 적용할 경우 엔진 효율이 증가할 수 있고, 구조의 단순화 구현이 가능하여 기존 왕복동 방식 엔진에 비해 기술적, 경제적 경쟁력을 가질 수 있다. 본 연구에서는 액체 질소 분사압력을 변화시키면서 스크롤 팽창기가 적용된 액화질소 엔진의 성능을 분석하였다. A liquid nitrogen engine is a highly clean power engine, which does not emit any hazardous substances in its fumes. Additionally, it has an advantage over electric vehicles, as its energy density is larger than that of a battery. The use of an existing liquid nitrogen engine is typically limited to the reciprocation type. In this study, the concept of a nitrogen engine equipped with a scroll expander is introduced. The engine's efficiency was shown to increase when the scroll expander was utilized in the engine, while also adding to the simplification of the structure. Therefore, compared to the existing reciprocation-type engine, the engine with the scroll expander has the potential to be both technically and economically more competitive. In this study, the performance of a liquid nitrogen engine equipped with a scroll expander was analyzed while altering the injection pressure profile of liquid nitrogen.

내연기관에 적용하기 위한 10 kW급유기랭킨사이클의 구심 터빈에 관한 실험적 연구

신동길,김영민,류영현 한국마린엔지니어링학회 2018 한국마린엔지니어링학회지 Vol.42 No.4

Internal combustion engines are used as the main power source in various fields. They emit carbon dioxide during the combustion process. Among the various ways to reduce carbon dioxide, one would be to reduce fuel consumption. In this study, we compare and analyze the performance of the radial turbine applied to the expander of the 10 kW class ORC system. Waste heat of the engine is recovered to reduce the fuel consumption of the internal combustion engine. The ORC system was constructed using R134a as the working fluid, and the experiment was conducted. The expander is a permanent magnet synchronous type generator with two poles and an integral radial turbine. The maximum number of revolutions is 100,000 rpm. The expander is the most important core component to improve the efficiency of the ORC system. The heat source of the ORC system can be divided into exhaust heat and cooling water heat. The authors have constructed and tested a high temperature oil boiler to simulate the heat of the individual hot exhaust and a low temperature steam boiler, to simulate the engine coolant heat of the low temperature boiler. 내연기관은 다양한 분야에서 주 동력원으로 사용되고 있는데, 연소과정에서 이산화탄소를 배출한다. 이산화탄소를줄이기 위한 여러 가지 방법 중에서 연료소모량을 줄이는 방법이 있다. 본 연구에서는 내연기관의 연료 소모량을 줄이기 위해서 엔진 폐열 회수를 위한 10 kW급 ORC 시스템의 팽창기로 적용된 구심 터빈 성능을 비교, 분석하였다. R134a 를 작동유체로 사용하여 ORC시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 팽창기는 2극을 가진 영구자석동기 발전기와 일체형 구심 터빈으로서, 최대 회전수는 100,000 rpm 이다. 팽창기는 ORC 시스템의 효율향상을 위해서 가장 중요한 부품이라고 할 수 있다. ORC 시스템의 열원은 배기열과 냉각수열로 구분할 수 있다. 고온 열매체인 배기열을 모사할 수 있는고온 가스 보일러와 저온 열매체인 엔진 냉각수열을 모사할 수 있는 저온 스팀 보일러를 각각 구성하여 실험 하였다.

팽창기를 적용한 이산화탄소 냉방시스템의 성능특성에 관한 해석적 연구

조홍현,백창현,류창기,김용찬 대한설비공학회 2007 설비공학 논문집 Vol.19 No.9

A CO2 cycle shows large throttling loss during the expansion process. The application of an expander into the CO2 cycle can reduce the throttling loss and then improve system performance. In this study, the performance of a transcritical CO2 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.

스크롤 팽창기를 적용한 압축공기 엔진 자동차의 주행거리 특성에 관한 연구

신동길(Donggil Shin) 한국에너지학회 2016 에너지공학 Vol.25 No.4

이중 팽창기를 적용한 유기랭킨사이클 시스템의 성능특성 연구

박현준(Hyunjun Park),윤은구(Eunkoo Yun),윤상열(Sang Youl Yoon),김경천(Kyung Chun Kim) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

This study targets to estimate the performance of an organic Rankine cycle (ORC) power generation system using dual expanders by simulation and experiment. The ORC system is composed of two scroll expanders installed in parallel, a hydraulic diaphragm type pump to pressurize the working fluid, two plate heat exchangers for the evaporator and condenser. The two scroll expanders were converted from two oil-free air scroll compressors with same specifications, and were tested in the ORC loop with R245fa. The heat source temperature was controlled up to 150 °C by the 150 kW-class electric water-heater. In order to evaluate the static performance of the system, efficiencies and shaft powers for both single and dual operation mode were carried out. The maximum isentropic efficiency of each expander was measured about 70 %, and the shaft power was reached to about 3 kW at the turbine inlet temperature of 140 °C. Moreover, the performance characteristics of the dual parallel expanders ORC system with regards to various heat source conditions will be addressed.

연료전지용 팽창기-압축기 개념설계

안종민(Jong Min Ahn),권태훈(Tae Hun Kwon),김현진(Hyun Jin Kim),양시원(Si Won Yang) 대한설비공학회 2006 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2006 No.6

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㎛.

연료전지용 스크롤 팽창기-압축기 성능해석

김성준(S. J. Kim),안종민(J. M. Ahn),김현진(H. J. Kim) 한국동력기계공학회 2009 동력시스템공학회지 Vol.13 No.3

연료전지용 스크롤 팽창기-압축기 성능해석

김성준(S. J. Kim),안종민(J. M. Ahn),김현진(H. J. Kim) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.11

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%.