• 한국가스학회지
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• 제16권3호
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• pp.1-7
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• 2012

고압으로 수송되는 천연가스를 수요처에 공급하는 정압기지에서는 강제로 감압하여 보내준다. 이 때, 버려지는 압력에너지를 회수하는 방법으로 터보팽창기를 이용한 전력생산이 가능하며, 터보팽창기는 정압과 전력생산의 두 가지 기능을 동시에 수행하게 된다. 터보팽창기에서 생산되는 전력의 양은 유동전후의 엔탈피 차이며, 경제성에 영향을 미치는 주요인자로는 설비비, 전력생산량, 예열량, 전력가격, 가스가격의 5가지이다. 입구와 출구의 압력과 온도 조건이 고정되므로, 전력생산량은 결국 유량에 좌우된다. 따라서, 천연가스 수요의 계절별 수급변화 패턴에 따른 터보팽창기 적정용량을 결정하는 것이 경제성확보의 핵심기술이다. 유동량변화가 심한 경우의 전력생산량 산정법의 algorithm을 제시하였으며 이를 사용한 case study를 수행하였다.

• 한국가스학회지
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• 제16권6호
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• pp.136-142
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• 2012

터보팽창기를 이용한 폐압발전에서 전력생산량과 온도의 산출식의 열역학적 유도과정을 제시하였고, 전력생산량은 압력차가 아니라 압력비가 주요변수임을 밝혔다. 천연가스 폐압발전 인입부의 고압가스는 전기에너지(비용) 투입이 거의 없이 무상으로 얻어지는 에너지라는 사실을 보임으로써, 폐압이 지금까지는 별로 주목받지 못하였지만 새로운 청정에너지원 중의 하나임을 밝혔다. 공급가스 온도 보상을 위한 방법으로 팽창 후의 heating 방식을 택한다면, 전력생산과 더불어 냉열을 이용할 수 있고, 냉열이용량 만큼 heating 에너지를 줄일 수 있으므로 경제성을 배가시킬 수 있다.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
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• 대한설비공학회 2008년도 하계학술발표대회 논문집
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• pp.177-183
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• 2008

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.

• 설비공학논문집
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• 제21권2호
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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.

• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.41-46
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• 2015

Recently, the development of the HTS power cable is actively promoted. As the length of HTS power cable increases, there have been many efforts to develop large capacity cryocooler. Among the various cryocooler, the Brayton refrigerator is the most competitive for HTS power cable. The Brayton refrigerator is composed of recuperative heat exchangers, a compressor, and a cryogenic turbo expander. In these components, the cryogenic turbo expander is a part to decrease the temperature and it is the most significant component that is closely related with overall system efficiency. It rotates with high speed using a high-pressure helium or neon gas at cryogenic temperature. This paper describes the design of a 10 kW class Brayton refrigeration cycle and the cryogenic turbo expander. Flow and structural analysis are performed for the rotating impeller and nozzle to verify the efficiency and the design performance.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제12권3호
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• pp.1473-1478
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• 2011

본 연구에서는 전처리 공정을 거친 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 회수하기 위한 탈메탄탑에 대한 전산모사와 공정 최적화를 수행하였다. 전처리된 천연가스는 탈메탄탑 상부의 차가운 기상류와의 열교환 및 프로판 냉동 사이클이 포함된 예냉공정을 거친 후에 기상과 액상이 분리된다. 기상은 터보 팽창기를 거치면서 생산되는 동력을 residue gas의 압력을 높이기 위한 압축기에 전달한 후에 부분적으로 응축되어 탈메탄탑 상부로 주입된다. 액상류는 줄-톰슨 팽창 밸브를 거친 후 더욱 냉각되어 탈메탄탑의 중간부로 주입된다. 원료 대비 에탄의 회수율은 75% 이상으로 정하였으며, 탈메탄탑의 탑저에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.015로 정하였다. 한편 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위해서 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환시킴으로써 냉열의 일부 회수할 수 있었다.

• 설비공학논문집
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• 제30권3호
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• pp.107-115
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• 2018

A design combining the use of a compressor and expander was introduced in order to improve the cycle performance of a $CO_2$ automotive air conditioning system. Both the compressor and expander used were of rotary vane type and were designed to share a common shaft in a housing. Numerical simulation was carried out to evaluate the merit of the combined unit. In a typical automotive air conditioning operating conditions, the COP of the system was improved by 8.7% by the application of the combined unit. The compressor input was reduced by 5.2% through use of the expander output. In addition, about 3.06% increase in the cooling capacity was obtained through isentropic expansion in the expander. Our study noted that, as the pressure difference between the gas cooler and the evaporator becomes larger, the COP of the system improved increases unless the mass flow rate in the expander exceeds that in the compressor.

• 한국가스학회지
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• 제19권4호
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• pp.41-48
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• 2015

스크롤 팽창기의 성능특성은 유기랭킨사이클 (ORC) 시스템의 성능에 가장 중요한 변수이다. 본 연구에서는 1kW급 ORC 시스템을 구성하여 다양한 작동 조건에서 스크롤 팽창기의 성능특성을 파악하였다. ORC 시스템은 증발기, 스크롤 팽창기, 응축기, 작동유체펌프로 구성되어 있으며, 작동유체로 R245fa를 사용하였다. 고온수 온도는 50kW급 전기히터에 의해 $80^{\circ}C$에서 $115^{\circ}C$까지 제어되었다. 스크롤 팽창기의 최대 등엔트로피 효율은 77%로 측정되었고, ORC 시스템의 축동력은 열원의 온도 조건 및 팽창기의 회전속도에 따라 0.5kW에서 1.8kW까지 측정되었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제12권2호
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• pp.1032-1037
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• 2011

본 연구에서는 전처리 공정을 거친 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 회수하기 위한 탈메탄탑에 대한 전산모사와 공정 최적화를 수행하였다. 전처리된 천연가스는 탈메탄탑 상부의 차가운 기상류와의 열교환 및 프로판 냉동 사이클이 포함된 예냉공정을 거친 후에 기상과 액상이 분리된다. 기상은 터보 팽창기를 거치면서 생산되는 동력을 residue gas의 압력을 높이기 위한 압축기에 전달한 후에 부분적으로 응축되어 탈메탄탑 상부로 주입된다. 액상류는 줄-톰슨 팽창 밸브를 거친 후 더욱 냉각되어 탈메탄탑의 중간부로 주입된다. 원료 대비 에탄의 회수율은 80% 이상으로 정하였으며, 탈메탄탑의 탑저에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.0119로 정하였다. 한편 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위해서 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환시킴으로써 냉열의 일부를 회수할 수 있었다.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제5권2호
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• pp.43-49
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• 2002

In this paper, the steady-state performances analysis of a tilting pad gas bearing(TPGB) we analyzed by using finite element method for compressible Reynolds' equation. TPGB is used in a high-expansion-ratio expander running at a speed of 230,000 rpm. In order to solve the nonlinear finite element equations, the Newton-Raphson method is applied. The variations of the loading capacity, friction force and tilting angle of a single pad v.s. eccentricity direction of eccentricity and bearing number are investigated. The condition for the equilibrium of a pad, which is important for safe working of the bearing, is stated. The performances of the three pad bearing such as loading capacity, friction moment are predicted.