Low-grade heat conversion into power using small scale organic rankine cycles

Abstract

Η παρούσα διατριβή αφορά στη μελέτη των οργανικών κύκλων Rankine μικρής κλίμακας και στην ενσωμάτωση των εφαρμογών τους σε δύο φιλοσοφίες. Σημαντικοί θερμοδυναμικοί κύκλοι ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των κύκλων ατμών και φυσικού αερίου υπογραμμίστηκαν με έμφαση στους προηγμένους κύκλους Rankine και των παραγώγων του που είναι οι κύκλοι Kalina και Uchara. Οι οργανικοί κύκλοι Rankine, όπως παρουσιάζονται είναι καλά προσαρμόσιμοι για μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας πόρων θερμότητας κάτω των 400°C. Οι εφαρμογές που κυρίως διερευνώνται είναι: η ηλιακή ενέργεια, η ηλιακή αφαλάτωση, η βιομάζα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, η γεωθερμική ενέργεια και η ανακύκλωση της θερμικής ενέργειας από θερμικές συσκευές και διαδικασίες. Κατάλληλα εργαζόμενα ρευστά για ένα ηλιακό οργανικό κύκλο Rankine οδηγούμενο από πηγής θερμότητας θερμοκρασίας κάτω των 100°C, επιλέγονται με προκαθορισμένα κριτήρια, όπως οι υψηλότερες πυκνότητες ρευστών, η μέγιστη απόδοση του κύκλου, τα δεδομένα ασφάλειας και τα περιβαλλοντικά δεδομένα, και η μέτρια κρίσιμη θερμοκρασία. Τα RI34a , R600, RI52a έχουν αναδειχθεί ως καλά εργαζόμενα ρευστά μεταξύ των 20 υποψηφίων. Οι διαμορφώσεις του οργανικού κύκλου Rankine για το ίδιο επίπεδο θερμοκρασίας ερευνώνται επίσης. 11 εξεργειακή ανάλυση που ονομάζεται "Exergy topology" εφαρμόζεται για την επιλογή της κατάλληλης βέλτιστης διάταξης που βασίζεται σε πρόσθετες παραμέτρους: την εξεργειακή αποτελεσματικότητα, το βαθμό θερμοδυναμικής τελειότητας και το συντελεστή επιρροής. Ο απλός κύκλος Rankine αποδείχθηκε πιο κατάλληλος και δυνητικά οικονομικά αποδοτικότερος σε σύγκριση με τους τροποποιημένους κύκλους Rankine. Πειραματικές έρευνες που διεξάγονται σε ένα μικρό οργανικό κύκλο Rankine σχεδιασμένο για την ανάκτηση θερμότητας καυσαερίων επιβεβαιώνουν την τεχνική σκοπιμότητα της τεχνολογίας. Το πειραματικό σύστημα αποτελείται από εναλλάκτες θερμότητας, δύο αντλίες διαφράγματος και μια τουρμπίνα scroll. Ο κύκλος και η τουρμπίνα αξιολογούνται και συγκρίνονται για τρία εργαζόμενα ρευστά: R123 , R245fa και HFE7000. Η μέγιστη ισχύς που παρατηρείται είναι περίπου 2 kW, η απόδοση του κύκλου είναι μικρότερη από 8% και η συνολική αποτελεσματικότητα δεν υπερβαίνει το 5%. Η τουρμπίνα scroll αποδίδει μέγιστη απόδοση 70%. Η τελευταία ενότητα αφορά στην οικονομική αξιολόγηση και την αξιοποίηση των οργανικών κύκλων Rankine μικρής κλίμακας σε εφαρμογή ανάκτησης θερμότητας. Η πηγή θερμότητας είναι θερμός αέρας σε περίπου 180°C με ροή μάζας 0.21 kg/s. Το σύστημα βελτιστοποιημένου κύκλου βασίζεται στις πειραματικές έρευνες και στα μοντέλα που παράγονται. Το σύστημα παράγει 2 kW και έχει θερμική απόδοση 8%. Χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μαθηματικό μοντέλο, η κλίμακα του συστήματος αυξάνεται έως 50 kW. Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο οργανικός κύκλος Rankine είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας μικρής κλίμακας. Για παράδειγμα, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 13.27 c€/kWh για τα πολύ μικρά συστήματα (2 kW) και μειώνεται κάτω σε 7 c€/kWh για ένα σύστημα 50 kWe. Η τιμή αυτή μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη, κάτω από 5 c€/kWh, για συστήματα μεσαίας και μεγάλης κλίμακας. Μέσω ενός θερμο-οικονομικού μοντέλου αποδεικνύεται η αναντιστοιχία μεταξύ του βέλτιστου τεχνικού σημείου και του ελάχιστου ειδικού κόστους. FI ανάλυση της αναντιστοιχίας καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η οικονομική βελτιστοποίηση αντί της θερμοδυναμικής βελτιστοποίησης ή ένας συμβιβασμό μεταξύ τους, συνίσταται όταν αναζητούνται αποδοτικές περιβαλλοντικές λύσεις.