Μελέτη της λειτουργίας και σχεδιασμός συστήματος τριπαραγωγής μικρής κλίμακας με χρήση υπερκρίσιμου κύκλου ORC

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Εργαστήριο Ατμοκινητήρων & Λεβήτων Τομέας Θερμότητας της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη της λειτουργίας και σχεδιασμός συστήματος τριπαραγωγής μικρής κλίμακας με χρήση υπερκρίσιμου κύκλου ORC Του Φοιτητή Ρουμπεδάκη Τρύφων Επιβλέπων Καρέλλας Σωτήριος, Επίκουρος Καθηγητής, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ Αθήνα, Αύγουστος 2014

2

3 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, εκλογή και βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας ενός συστήματος τριπαραγωγής μικρής κλίμακας, το οποίο θα παραλαμβάνει την απαιτούμενη θερμότητα από ένα λέβητα καύσης πελλετών ξύλου και θα τροφοδοτεί έναν υπερκρίσιμο οργανικό κύκλο Rankine για συνδυασμένη παραγωγή ψύξης, θέρμανσης και ηλεκτρικής ενέργειας. Της θερμοδυναμικής βελτιστοποίησης θα ακολουθήσει η εκλογή και ο σχεδιασμός των επιμέρους στοιχείων της εγκατάστασης, ώστε τελικά να καταλήξει η παρούσα εργασία με το κατασκευαστικό σχέδιο της, που θα υλοποιεί τον βελτιστοποιημένο κύκλο. Η μείωση των αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων και κατ επέκταση η αύξηση του κόστους της ενέργειας σε συνδυασμό με τον διαρκώς αυξανόμενο προβληματισμό σχετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη λόγω των εκπομπών άνθρακα που σχετίζεται με την κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων, έχει στρέψει το ενδιαφέρον στις καθαρές μορφές ενέργειας. Για τους λόγους αυτούς, ο υπερκρίσιμος οργανικός κύκλος Rankine αποτελεί σημείο αυξημένου επιστημονικού ενδιαφέροντος τα τελευταία χρόνια και η παρούσα εργασία αποσκοπεί να ερευνήσει κατά πόσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρότερης κλίμακας εγκαταστάσεις, σε σύζευξη μάλιστα με ένα ψυκτικό κύκλο μηχανικής συμπίεσης. Έχοντας σαν μοναδικούς περιορισμούς την ισχύ του λέβητα και ως εκ τούτου την μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου, η εν λόγω εργασία καλείται να εκλέξει το οργανικό μέσο και τις συνθήκες που θα επικρατούν σε κάθε σημείο ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση της εγκατάστασης. Αφού προσδιορισθούν τα παραπάνω δεδομένα, ακολουθεί η εκλογή των στοιχείων της εγκατάστασης (εναλλάκτες, αντλία κλπ.), ώστε αφενός να οδηγηθούμε σταδιακά στον ακριβή προσδιορισμό του κατασκευαστικού σχεδίου του συστήματος, αφετέρου δε προς τα πίσω διόρθωση της προσομοίωσης του κύκλου, ώστε να προσδιορισθεί ο πραγματικός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης σε συνθήκες λειτουργίας. i

4 Abstract The present thesis project has as its subject the investigation, selection and optimization of the working conditions of a small scale trigeneration system, which will receive the required heat from a pellet fuelled boiler, feeding a supercritical organic Rankine cycle for combined cooling, heating and power production. Thermodynamic optimization will be followed by the selection and design of the individual system s components, in order to finally conclude this project with the system s construction drawing, which will implement the optimized cycle. The reduction of the conventional fuels resources and thus the increase in the energy production costs as well as the increasing environmental concerns about global warming due to carbon emissions associated with fossil fuel consumptions has drawn attention to clean energy sources. Consequently, the supercritical ORC is lately a field of increasing scientific interest and the present project has as its goal to determine whether this cycle is possible to be used in small scale domestic plants, in conjunction, especially, with a vapor compression cycle. Having as the only limitations the ones derived from the boiler s gross power and thus the maximum allowed temperature of the organic cycle this project aims to select both the organic fluid to be used as well as the working conditions in every part of the system in order to maximize the system s efficiency. After the determination of the above, follows the selection of the system s components (heat exchangers, pump etc.) in order to gradually develop the system s construction drawing, while parallel to correct backwards the developed system s simulation code, so as to determine the plant s exact working efficiency. ii

5 Πρόλογος Σε μικρότερη ηλικία θυμάμαι ότι είχα σαν όνειρο μεγαλώνοντας να σχεδιάσω μία μηχανή, όσο περνούσε ο καιρός όμως συνειδητοποιούσα ότι αυτό το όνειρο ήταν λίγο έως πολύ αδύνατο καθώς δεν γίνεται να σχεδιασθεί μία μηχανή εξ ολοκλήρου από ένα άτομο. Μέσω αυτού του έργου είμαι ιδιαίτερα χαρούμενος που εκτός από ένα ενδιαφέρον θέμα επιστημονικής τριβής, η παρούσα εργασία έδωσε σάρκα και οστά σε αυτό το όνειρο των παιδικών μου χρόνων. Η συγκεκριμένη εργασία αποτέλεσε αντικείμενο εντατικής, και πολλές φορές ψυχοφθόρας, ενασχόλησης για πολλούς μήνες, ωστόσο τόσο το αποτέλεσμα όσο και οι πολλαπλές γνώσεις που αποκόμισα σε αυτό το διάστημα μου επιτρέπουν να πω πως αποτέλεσε μία πολύ εύστοχη επιλογή, ενώ παράλληλα έδωσε την ευκαιρία να ανακαλύψω και τομείς με μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον που μέχρι πρότινος, οφείλω να ομολογήσω πως υποτιμούσα. Για αυτό το λόγο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επίκουρο καθηγητή και επιβλέποντα της παρούσας εργασίας κ. Σωτήριο Καρέλλα που μου εμπιστεύθηκε την εκπόνηση της συγκεκριμένης διπλωματικής μελέτης. Επιπλέον θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Πλάτωνα Πάλλη και Κωνσταντίνο Μπραϊμάκη για την πολύτιμη βοήθεια τους και τη συνεργασία τους παρά το βεβαρυμμένο συχνά πρόγραμμα τους. Ειδική μνεία, οφείλω να κάνω και στον Άρη Λεονταρίτη που με την συνεχή καθοδήγησή του κατέστη εφικτή η εκπόνηση της εν λόγω εργασίας χωρίς σημαντικές καθυστερήσεις. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω και όλους εκείνους που με τον δικό τους τρόπο στάθηκαν και συμπαραστάθηκαν σε όλη αυτή τη διαδρομή, δίνοντας κουράγιο για να συνεχίσω μέχρι το τέλος. iii

6 Πίνακας περιεχομένων Περίληψη...i Abstract... ii Πρόλογος... iii Κατάλογος εικόνων... vii Κατάλογος πινάκων... xii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή Ο οργανικός κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle-ORC) Ψυκτικός κύκλος μηχανικής συμπίεσης (Vapor Compression Cycle- VCC) Τριπαραγωγή... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Βελτιστοποίηση θερμοδυναμικού κύκλου και εκλογή συνθηκών λειτουργίας Υπολογισμός θερμοδυναμικού κύκλου Εκλογή βασικών συνθηκών λειτουργίας της διάταξης Εκλογή οργανικού μέσου Απόδοση εγκατάστασης στα διάφορα ψυκτικά φορτία Τελική διάταξη Μια εναλλακτική προσέγγιση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Σκελετός εγκατάστασης Στοιχεία σκελετού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Διαστασιολόγηση εναλλακτών θερμότητας Εισαγωγή Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών ατμοποιητή μέσω μοντέλου προσομοίωσης Αποτελέσματα ατμοποιητή Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών συμπυκνωτή μέσω μοντέλου προσομοίωσης Αποτελέσματα συμπυκνωτή Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών εναλλάκτη που θα μεταφέρει το οργανικό μέσο στην υπερκρίσιμη κατάσταση μέσω μοντέλου προσομοίωσης Αποτελέσματα εναλλάκτη Συγκεντρωτικά αποτελέσματα Κεφάλαιο 5: Διαστασιολόγηση αντλίας ORC Εισαγωγή Αντλίες θετικής μετατόπισης iv

7 5.3 Αντλίες διαφράγματος Εκλογή τύπου αντλίας για την εγκατάσταση Διαστασιολόγηση ηλεκτροκινητήρα αντλίας Εκλογή αντικραδασμικών βάσεων Εκλογή κόπλερ Κεφάλαιο 6: Τροφοδοτικό δοχείο και φίλτρο Τροφοδοτικό δοχείο Φίλτρο Κεφάλαιο 7: Συμπιεστής Εισαγωγή Παλινδρομικοί και περιστροφικοί συμπιεστές Συμπιεστές τύπου scroll Ο συμπιεστής της εγκατάστασης Κεφάλαιο 8: Κύκλωμα νερού Εισαγωγή Πελλέτες ξύλου Λέβητας πελλετών Κεφάλαιο 9: Εκτονωτής Γενικά Στροβιλομηχανές Μηχανές μετατόπισης Ο εκτονωτής της εγκατάστασης Κεφάλαιο 10: Σωληνώσεις και λοιπά εξαρτήματα εγκατάστασης Σωληνώσεις Κυκλοφορητής Εκτονωτική βαλβίδα Λοιπά στοιχεία σωληνώσεων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Συναρμολόγηση εγκατάστασης και συμπεράσματα Συναρμολόγηση εγκατάστασης Συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντικές εργασίες ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: Σχέδια της εγκατάστασης Α.1 Σκελετός Α.2 Ατμοποιητής Α.3 Συμπυκνωτής v

8 Α.4 Εναλλάκτης «υπερκρίσιμης κατάστασης» Α.5 Αντλία κυκλώματος ORC Α.6 Αντικραδασμικά βάσης αντλίας Α.7 Ηλεκτροκινητήρας αντλίας σε σύζευξη με το κόπλερ Α.8 Τροφοδοτικό δοχείο Α.9 Φίλτρο Α.10 Συμπιεστής Α.11 Λέβητας πελλετών A.12 Εκτονωτής Α.13 Κυκλοφορητής Α.14 Εκτονωτική βαλβίδα Α.15 Συγκεντρωτικό σχέδιο εγκατάστασης Α.16 Σχόλια επί των σχεδίων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: Κώδικας υπολογισμών Β.1 Κώδικας προσομοίωσης/βελτιστοποίησης κύκλου Β.2 Κώδικας υπολογισμών ατμοποιητή Β.3 Κώδικας υπολογισμών συμπυκνωτή Β.4 Κώδικας υπολογισμών εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης Βιβλιογραφία vi

9 Κατάλογος εικόνων Εικόνα 1: Σχεδιάγραμμα τυπικής εγκατάστασης ORC και αντίστοιχο διάγραμμα Τ-s... 1 Εικόνα 2: Τυπικές περιπτώσεις υπερκρίσιμου (πράσινο) και υποκρίσιμου (κόκκινο) κύκλου ORC με εργαζόμενο μέσο το R1234yf... 2 Εικόνα 3: Σχεδιάγραμμα τυπικής ψυκτικής εγκατάστασης με μηχανική συμπίεση... 3 Εικόνα 4: Ψυκτικός κύκλος μηχανικής συμπίεσης σε διάγραμμα P-h με εργαζόμενο μέσο το R134a... 4 Εικόνα 5: Σχεδιάγραμμα τυπικής εγκατάστασης τριπαραγωγής... 4 Εικόνα 6: Σχεδιάγραμμα του συστήματος τριπαραγωγής που μελέτησαν οι P.Ahmadi, I.Dincer και M.A.Rosen[8]... 6 Εικόνα 7: Το σύστημα τριπαραγωγής που μελέτησαν οι F.Al-Sulaiman, I.Dincer και F.Hamdullahpur [9]... 7 Εικόνα 8: Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης τριπαραγωγής, βάσει του οποίου θα γίνει η προσομοίωση και η εκλογή του οργανικού μέσου... 8 Εικόνα 9: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας Εικόνα 10: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας 16 Εικόνα 11: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας Εικόνα 12: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας Εικόνα 13: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου Εικόνα 14: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου Εικόνα 15: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου Εικόνα 16: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου Εικόνα 17: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή Εικόνα 18: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή Εικόνα 19: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή Εικόνα 20: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή Εικόνα 21: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή Εικόνα 22: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή vii

10 Εικόνα 23: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή Εικόνα 24: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή Εικόνα 25: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Εικόνα 26: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Εικόνα 27: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Εικόνα 28: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Εικόνα 29: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας συμπύκνωσης και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος.. 29 Εικόνα 30: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης θερμικής ισχύος για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας συμπύκνωσης και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος Εικόνα 31: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για διάφορες τιμές της προσδιδόμενης από τον λέβητα ισχύος και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος Εικόνα 32: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης θερμικής ισχύος για διάφορες τιμές της προσδιδόμενης από τον λέβητα ισχύος και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος Εικόνα 33: Τελική διάταξη εγκατάστασης προς σχεδιασμό Εικόνα 34: Ο υπερκρίσιμος κύκλος που υλοποιεί η εγκατάσταση σε διάγραμμα T-h Εικόνα 35: Ο υπερκρίσιμος κύκλος που υλοποιεί η εγκατάσταση σε διάγραμμα T-s Εικόνα 36: Γραφική παράσταση σύγκρισης θερμικού βαθμού απόδοσης σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Εικόνα 37: Γραφική παράσταση σύγκρισης του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Εικόνα 38: Γραφική παράσταση σύγκρισης του COP σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Εικόνα 39: Γραφική παράσταση σύγκρισης της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Εικόνα 40: Ο υπερκρίσιμος κύκλος για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C σε διάγραμμα T-h Εικόνα 41: Ο υπερκρίσιμος κύκλος για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C σε διάγραμμα T-s Εικόνα 42: Διατομή προφίλ Εικόνα 43: "Standard" μέσα σύνδεσης των προφίλ Εικόνα 44: Τρόπος σύνδεσης των προφίλ Εικόνα 45: Σύνδεση τροχών βαρέως φορτίου με κυρίως σκελετό Εικόνα 46: (αριστερά): Η εφαρμογή ενός T-slot nut σε ένα προφίλ 12 (δεξιά): βασικές διαστάσεις ενός T-slot nut viii

11 Εικόνα 47: Κοχλίας M12x20 που θα χρησιμοποιηθεί με τα άνωθεν T-slot nuts Εικόνα 48: Εύρος λειτουργίας διαφόρων τύπων εναλλακτών Εικόνα 49: Επίπεδος πλακοειδής εναλλάκτης θερμότητας της εταιρείας Alfa laval Εικόνα 50: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του ατμοποιητή. 44 Εικόνα 51: Βασικές διαστάσεις μίας πλάκας του εναλλάκτη Εικόνα 52: Σχηματική απεικόνιση της διαμέρισης και των μεταβολών που λαμβάνουν χώρα σε κάθε τμήμα Εικόνα 53: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του συμπυκνωτή 52 Εικόνα 54: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του "υπερκρίσιμου" εναλλάκτη Εικόνα 55: Σχεδιάγραμμα διαφόρων τύπων αντλιών- με κίτρινο είναι ο τύπος της αντλίας που θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση Εικόνα 56: Σχεδιάγραμμα παλινδρομικής αντλίας Εικόνα 57: Τρισδιάστατη τομή μιας περιστροφικής αντλίας Εικόνα 58: Σχεδιάγραμμα αντλίας διαφράγματος με μηχανική οδήγηση Εικόνα 59: Η αντλία D-10-X της εταιρείας Hydra Cell Εικόνα 60: Διάγραμμα επιλογής αντλίας και προσδιορισμού ονομαστικών στροφών βάσει της αναρροφώμενης παροχής όγκου Εικόνα 61: Πέλμα Stabiflex βάσης σχήματος ρόμβου Εικόνα 62: Βασικές διαστάσεις κόπλερ Εικόνα 63: Παράδειγμα τροφοδοτικού δοχείου της σειράς RLVCY Εικόνα 64: Φίλτρο της σειράς ADK Εικόνα 65: Κατηγοριοποίηση συμπιεστών Εικόνα 66: Τομή παλινδρομικού μονοβάθμιου συμπιεστή Εικόνα 67: Τομή συμπιεστή με περιστρεφόμενα πτερύγια Εικόνα 68: Τομή συμπιεστή με δίδυμους κοχλίες Εικόνα 69: Τομή συμπιεστή τύπου scroll και στάδια ενός κύκλου συμπίεσης Εικόνα 70: Ο ερμητικός συμπιεστής τύπου scroll ZH15K4E-PFJ Εικόνα 71: Απλοποιημένο σχεδιάγραμμα κυκλώματος νερού Εικόνα 72: Πελλέτες ξύλου Εικόνα 73: Εξωτερικός καυστήρας πελλετών (αριστερά) και λέβητας με ενσωματωμένο καυστήρα (δεξιά) Εικόνα 74: Λέβητας με τροφοδοσία από την άνω πλευρά του λέβητα Εικόνα 75: Αντιστάτης που χρησιμοποιείται για την έναυση σε λέβητες πελλετών Εικόνα 76: Τρισδιάστατο σχέδιο με τομή του μοντέλου P Εικόνα 77: Ανάλυση ευσαισθήσίας β.α εγκατάστασης από β.α λέβητα Εικόνα 78: Παραδείγματα αξονικού (αριστερά) και ακτινικού (δεξιά) στροβίλου Εικόνα 79: Τα τρία στάδια λειτουργίας ενός εμβολοφόρου εκτονωτή Εικόνα 80: Εκτονωτής με στρεφόμενο πτερύγιο Εικόνα 81: Στάδια εκτόνωσης σε ένα ελικοειδή εκτονωτή Εικόνα 82: Παράδειγμα εκτονωτή με κοχλίες Εικόνα 83: Ο ερμητικός συμπιεστής τύπου scroll ZP122KCE Εικόνα 84: Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης με τις διατομές των στομίων των στοιχείων του συστήματος Εικόνα 85: Γωνία 90 μοιρών ix

12 Εικόνα 86: Ταυ για διακλαδώσεις Εικόνα 87: Συνδετικό μέσο με σπείρωμα στη μία πλευρά (μαστός) Εικόνα 88: Συνδετικό μέσο με εσωτερικό σπείρωμα στη μία πλευρά (μούφα) Εικόνα 89: Συνδετικό μέσο για μείωση διατομής σωλήνωσης Εικόνα 90: Βάνα για έλεγχο της ροής Εικόνα 91: Διάγραμμα εκλογής κυκλοφορητή εταιρείας Taco Εικόνα 92: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού λέβητα Εικόνα 93: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου τροφοδοτικού δοχείουφίλτρου-αντλίας Εικόνα 94: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου εκτονωτή-συμπυκνωτή 106 Εικόνα 95: : Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου αντλίας-εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης Εικόνα 96: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης-εκτονωτή Εικόνα 97: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου συμπυκνωτήτροφοδοτικού δοχείου- ατμοποιητή Εικόνα 98: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου ατμοποιητή-συμπιεστή 107 Εικόνα 99: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου συμπιεστή-συμπυκνωτή Εικόνα 100: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού ατμοποιητή Εικόνα 101: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού συμπυκνωτή Εικόνα 102: Πρόοψη εγκατάστασης με σχετική αρίθμηση που προσδιορίζει τη θέση του εκάστοτε στοιχείου Εικόνα 103: Κάτοψη της εγκατάστασης σε τομή Α-Α Εικόνα 104: Κάτοψη της εγκατάστασης σε τομή Β-Β' Εικόνα 105: Δεξιά πλάγια όψη εγκατάστασης Εικόνα 106: Τομή εγκατάστασης Δ-Δ' Εικόνα 107: Αριστερά πλάγια όψη εγκατάστασης Εικόνα 108: Τομή εγκατάστασης Γ-Γ' Εικόνα 109: Πρόοψη σκελετού εγκατάστασης Εικόνα 110: Κάτοψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Α-Α Εικόνα 111: Κάτοψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Β-Β' Εικόνα 112: Δεξιά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης Εικόνα 113: Αριστερά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης Εικόνα 114: Δεξιά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Δ-Δ' Εικόνα 115: Αριστερά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Γ-Γ' Εικόνα 116: Πρόοψη του ατμοποιητή με βασικές διαστάσεις Εικόνα 117: Δεξιά πλάγια όψη του ατμοποιητή Εικόνα 118: Κάτοψη του ατμοποιητή Εικόνα 119: Πρόοψη του συμπυκνωτή Εικόνα 120: Δεξιά πλάγια όψη του συμπυκνωτή Εικόνα 121: Κάτοψη του συμπυκνωτή Εικόνα 122: Πρόοψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" x

13 Εικόνα 123: Δεξιά πλάγια όψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" Εικόνα 124: Κάτοψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" Εικόνα 125: Κατασκευαστικό σχέδιο αντλίας D-10-X Εικόνα 126: Αντικραδασμικά πέλματα Stabiflex Εικόνα 127: Κατασκευαστικό σχέδιο ηλεκτροκινητήρα αντλίας όντας συζευγμένος με το κόπλερ που εξελέγη Εικόνα 128: Κατασκευαστικό σχέδιο τροφοδοτικού δοχείου Εικόνα 129: Κατασκευαστικό σχέδιο του φίλτρο Εικόνα 130: Κατασκευαστικό σχέδιο συμπιεστή Εικόνα 131: Κατασκευαστικό σχέδιο με τις βασικές διαστάσεις του λέβητα Εικόνα 132: Κατασκευαστικό σχέδιο εκτονωτή όπως δίδεται από τον κατασκευαστή Εικόνα 133: Κατασκευαστικό σχέδιο κυκλοφορητή L1130 της εταιρείας Taco για σωλήνωση 1 ¼ Εικόνα 134: Κατασκευαστικό σχέδιο εκτονωτικής βαλβίδας Εικόνα 135: Συγκεντρωτικό σχέδιο εγκατάστασης με όλες τις όψεις για καλύτερη κατανόηση των σχετικών θέσεων κάθε όψης που θα παρουσιασθούν στις επόμενες σελίδες Εικόνα 136: Πρόοψη εγκατάστασης Εικόνα 137: Κάτοψη εγκατάστασης σε τομή Α'-Α Εικόνα 138: Κάτοψη εγκατάστασης σε τομή Β-Β' Εικόνα 139: Δεξιά πλάγια όψη εγκατάστασης Εικόνα 140: Τομή εγκατάστασης Δ-Δ' Εικόνα 141: Αριστερά πλάγια όψη εγκατάστασης Εικόνα 142: Τομή εγκατάστασης Γ-Γ' xi

14 Κατάλογος πινάκων Πίνακας 1: Θερμοδυναμικά στοιχεία του συστήματος τριπαραγωγής που μελέτησαν οι P.Ahmadi, I.Dincer και M.A.Rosen [8]... 5 Πίνακας 2: Λίστα των υποψήφιων οργανικών μέσων... 9 Πίνακας 3: Η βέλτιστη πίεση λειτουργίας ανά οργανικό μέσο Πίνακας 4: Βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας ανά οργανικό μέσο Πίνακας 5: Βαθμοί απόδοσης των οργανικών μέσων για τις συνθήκες λειτουργίας του Πίνακα Πίνακας 6: Συνθήκες λειτουργίας για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 100 C Πίνακας 7: Πρόσθετα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά διάταξης Πίνακας 8: Σύγκριση βέλτιστων βαθμών απόδοσης στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Πίνακας 9: Συνθήκες λειτουργίας για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C Πίνακας 10: Πρόσθετα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά για την τροποποίηση στη διάταξη 37 Πίνακας 11: Λίστα παραγγελίας στοιχείων σκελετού Πίνακας 12: Στοιχεία δύο ρευμάτων ατμοποιητή Πίνακας 13: Στοιχεία δύο ρευμάτων συμπυκνωτή Πίνακας 14: Στοιχεία δύο ρευμάτων "υπερκρίσιμου" εναλλάκτη Πίνακας 15: Λίστα παραγγελίας εναλλακτών Πίνακας 16: Διαστάσεις βάσεων εναλλακτών Πίνακας 17: Βασικά στοιχεία λειτουργίας ζητούμενης αντλίας Πίνακας 18: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά αντλίας Πίνακας 19: Βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτροκινητήρα Πίνακας 20: Στοιχεία πρόσδεσης κινητήρα-αντλίας στο σκελετό Πίνακας 21: Συνθήκες λειτουργίας εντός του τροφοδοτικού δοχείου Πίνακας 22: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά λειτουργίας τροφοδοτικού δοχείου Πίνακας 23: Στοιχεία πρόσδεης τροφοδοτικού δοχείου στο σκελετό Πίνακας 24: Συνθήκες λειτουργίας συμπιεστή Πίνακας 25: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά συμπιεστή Πίνακας 26: Στοιχεία πρόσδεσης συμπιεστή στο σκελετό Πίνακας 27: Βασικές ιδιότητες ταξινόμησης πελλετών βάσει του προτύπου EN Πίνακας 28: Βασικά χαρακτηριστικά λέβητα P Πίνακας 29: Στοιχεία πρόσδεσης λέβητα στο σκελετό Πίνακας 30: Συνθήκες λειτουργίας εκτονωτή Πίνακας 31: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά εκτονωτή Πίνακας 32: Στοιχεία πρόσδεσης συμπιεστή στο σκελετό Πίνακας 33: Τυποποιημένες διάμετροι σωληνώσεων Πίνακας 34: Ταχύτητες ροής για διάφορες τυποποιημένες διαμέτρους ανά σημείο Πίνακας 35: Τελικές διάμετροι ανά κλάδο και αντίστοιχες ταχύτητες ροής xii

15 Πίνακας 36: Εξαρτήματα σωληνώσεων κυκλώματος νερού Πίνακας 37: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά κυκλοφορητή Πίνακας 38: Εξαρτήματα κλάδου τροφοδοτικού δοχείου-αντλίας Πίνακας 39: Εξαρτήματα κλάδου εκτονωτή-συμπυκνωτή Πίνακας 40: Εξαρτήματα κλάδου αντλίας- εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης Πίνακας 41: Εξαρτήματα κλάδου εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης- εκτονωτή Πίνακας 42: Εξαρτήματα κλάδου συμπυκνωτή-τροφοδοτικού δοχείου-ατμοποιητή Πίνακας 43: Εξαρτήματα κλάδου ατμοποιητή-συμπιεστή Πίνακας 44: Εξαρτήματα κλάδου συμπιεστή-συμπυκνωτή Πίνακας 45: Εξαρτήματα κυκλώματος νερού ατμοποιητή Πίνακας 46: Εξαρτήματα κυκλώματος νερού συμπυκνωτή Πίνακας 47: Υπόμνημα σχεδίου xiii

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή 1.1 Ο οργανικός κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle-ORC) Η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια με αποτέλεσμα να έχουν αυξηθεί αντίστοιχα και οι εκπομπές στην ατμόσφαιρα. Η έντονη ανησυχία που έχει προκαλέσει αυτή η αύξηση σχετικά με την κλιματική αλλαγή, έχει στρέψει το ενδιαφέρον προς εναλλακτικές μορφές παραγωγής ενέργειας. Μία από αυτές τις εναλλακτικές είναι και ο οργανικός κύκλος Rankine (ORC). Βασικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι μπορεί να προσαρτηθεί σε υπάρχοντα συστήματα με σκοπό την αξιοποίηση της απορριπτόμενης θερμότητας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπως επίσης και την εκμετάλλευση πηγών θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, κάτι που έχει σαν φυσική συνέπεια να χρησιμοποιείται κυρίως σε εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας. Ο ORC είναι ένας κύκλος παρόμοιος με τον απλό κύκλο Clausius-Rankine με βασική διαφορά ότι το εργαζόμενο μέσο είναι κάποιο οργανικό μέσο αντί του νερού-ατμού. Ο ORC συνίσταται στην ατμοποίηση του οργανικού μέσου και κατόπιν την εκτόνωσή του σε στρόβιλο προς παραγωγή μηχανικού έργου. Το χαμηλής πίεσης ρεύμα που εξέρχεται από το στρόβιλο συμπυκνώνεται και μετά επανέρχεται με τη βοήθεια αντλίας στην υψηλή πίεση του κύκλου. Βάσει των παραπάνω είναι εύκολα κατανοητό ότι τα κύρια στοιχεία μιας τέτοιας εγκατάστασης είναι παρόμοια με μίας συμβατικής ατμοηλεκτρικής εγκατάστασης. Σε νεότερες εκδοχές το σύστημα περιλαμβάνει και έναν αναγεννητή με σκοπό την αύξηση της απόδοσης της εγκατάστασης. Αναφορικά με την πολυπλοκότητά του το σύστημα ORC είναι κατά τι απλούστερο από αυτό ενός κύκλου ατμού καθώς δεν υπάρχει η ανάγκη ύπαρξης τυμπάνου συνδεδεμένου με τον λέβητα, αντί αυτού αρκεί ένας μοναδικός εναλλάκτης θερμότητας για να υλοποιήσει τις τρεις φάσεις της θέρμανσης του εργαζόμενου μέσου. Έτσι, μία τυπική διάταξη που υλοποιεί τον οργανικό κύκλο Rankine αποτελείται από τις συνιστώσες που φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί. Εικόνα 1: Σχεδιάγραμμα τυπικής εγκατάστασης ORC και αντίστοιχο διάγραμμα Τ-s 1

17 Θεμροκρασία T ( o C) Βασικό στοιχείο κατά το σχεδιασμό μιας εγκατάστασης ORC είναι η εκλογή του οργανικού μέσου και ο θερμοδυναμικός σχεδιασμός του κύκλου για μεγιστοποίηση του θερμικού βαθμού απόδοσης, κάτι που θα αποτελέσει και το αντικείμενο του επόμενου κεφαλαίου της εργασίας. Η επιλογή αυτή καθορίζεται κυρίως από τη θερμοκρασία πρόσδοσης θερμότητας στον κύκλο και τις περιβαλλοντικές παραμέτρους του μέσου, όπως επίσης και από τη διαθεσιμότητα αυτού στο εμπόριο. Πέραν από τον υποκρίσιμο ORC, έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον συγκεντρώνει και ο υπερκρίσιμος κύκλος ORC, ο οποίος είναι αντικείμενο μελέτης και της παρούσας εργασίας, και υπερτερεί έναντι του υποκρίσιμου ORC λόγω των μειωμένων εξεργειακών απωλειών που συνεπάγεται πιο αποδοτική αξιοποίηση της θερμότητας. Άλλωστε, ο υπερκρίσιμος κύκλος είναι πιο εφικτός στα οργανικά μέσα καθώς το κρίσιμο σημείο επιτυγχάνεται σε χαμηλότερες πιέσεις και θερμοκρασίες σε σύγκριση με το νερό. Η βασική διαφοροποίηση υπερκρίσιμου έναντι του υποκρίσιμου κύκλου, όπως είναι προφανές, είναι ότι μετά την αντλία το οργανικό μέσο έχει αποκτήσει αρκετά υψηλότερη πίεση ώστε η θέρμανση από τον εναλλάκτη να το μετατρέπει σε υπερκρίσιμο ρευστό χωρίς να μεσολαβεί διφασική περιοχή, όπως στον υποκρίσιμο κύκλο. Στον αντίποδα, η ανάγκη για την ύπαρξη αυξημένης πίεσης συνεπάγεται και αύξηση του κόστους του εναλλάκτη, με ενδεχόμενη μάλιστα αλλαγή του τύπου αυτού (πχ. αντί για επίπεδο πλακοειδή εναλλάκτη να προτιμηθεί εναλλάκτης αυλών-κελύφους που έχει μεγαλύτερο εύρος πιέσεων λειτουργίας) καθώς πρέπει να είναι ανθεκτικός σε μεγαλύτερες πιέσεις. T - h ενθαλπία h (kj/kg) Εικόνα 2: Τυπικές περιπτώσεις υπερκρίσιμου (πράσινο) και υποκρίσιμου (κόκκινο) κύκλου ORC με εργαζόμενο μέσο το R1234yf 2

18 1.2 Ψυκτικός κύκλος μηχανικής συμπίεσης (Vapor Compression Cycle- VCC) Η πλέον διαδεδομένη μέθοδος παραγωγής ψύξης βασίζεται στο φαινόμενο της αλλαγής φάσης ενός σώματος και των θερμικών συναλλαγών στα πλαίσια της μεταβολής αυτής. Κατά αυτό τον τρόπο, αξιοποιείται η θερμότητα που λαμβάνεται κατά την ατμοποίηση του μέσου. [3] Με δεδομένο ότι απαιτείται η αδιάλειπτη παροχή ψύξης, ο απλός ψυκτικός κύκλος μηχανικής συμπίεσης αποτελείται από την συμπίεση του μέσου, τη συμπύκνωση, τον στραγγαλισμό της πίεσης και την ατμοποίηση, όπως φαίνεται και στο σχήμα που ακολουθεί. Πιο αναλυτικά, σε αυτό τον κύκλο, το ψυκτικό ρευστό βρισκόμενο σε αέρια φάση συμπιέζεται σε ένα συμπιεστή που προκαλεί τη θέρμανση του ρευστού, ώστε η θερμοκρασία του να ξεπερνά την αποθήκη υψηλής θερμοκρασίας. [5] Το θερμό σε υψηλή πίεση ρευστό κυκλοφορεί μέσα από εναλλάκτη θερμότητας (συμπυκνωτής) όπου ψύχεται απορρίπτοντας θερμότητα στο περιβάλλον. Μετά την έξοδο από τον συμπυκνωτή, όπου συχνά το ρευστό είναι ελαφρώς υπόψυκτο, ακολουθεί βαλβίδα στραγγαλισμού ώστε να ελαττωθεί η πίεση και η θερμοκρασία πριν την είσοδο του στον δεύτερο εναλλάκτη της εγκατάστασης, τον ατμοποιητή, του οποίου το παραγόμενο έργο εκμεταλλευόμαστε για την παραγωγή της ζητούμενης ψύξης. Η διάταξη μηχανικής συμπίεσης που περιγράφηκε παραπάνω χρησιμοποιείται ευρύτατα στην πράξη και καλύπτει απαιτήσεις για ψύξη που ξεκινούν από μερικές δεκάδες W μέχρι αρκετές δεκάδες MW ανά μονάδα. Προφανώς, η εκλογή και χρήση των ψυκτικών διατάξεων προϋποθέτει την ύπαρξη επαρκούς μηχανικής ενέργειας για την κίνηση του μηχανικού συμπιεστή. Βασικός παράγοντας στον προσδιορισμό της πίεσης και της θερμοκρασίας συμπύκνωσης, που καθορίζει εν γένει και την απόδοση του κύκλου, αποτελεί η θερμοκρασία περιβάλλοντος, στο οποίο απορρίπτεται η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την συμπύκνωση. Εικόνα 3: Σχεδιάγραμμα τυπικής ψυκτικής εγκατάστασης με μηχανική συμπίεση 3

19 Εικόνα 4: Ψυκτικός κύκλος μηχανικής συμπίεσης σε διάγραμμα P-h με εργαζόμενο μέσο το R134a 1.3 Τριπαραγωγή Πιο μοντέρνες εγκαταστάσεις, όπως και αυτή που θα αναλυθεί στην παρούσα εργασία, συνδυάζουν τους δύο παραπάνω κύκλους μέσω της χρήσης ενός κοινού συμπυκνωτή με μία διάταξη στα πρότυπα αυτής που φαίνεται στο κάτωθεν σχήμα, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα ταυτόχρονης παραγωγής ψύξης, θέρμανσης και ηλεκτρισμού αποφεύγοντας ταυτόχρονα τις εκπομπές των συμβατικών μορφών ενέργειας που χρησιμοποιούνται για αυτές τις διεργασίες. Τα συστήματα τριπαραγωγής, όπως αποκαλούνται τα συστήματα αυτού του τύπου, έχουν επιπλέον το πλεονέκτημα της συνολικά αποδοτικότερης αξιοποίησης της ενέργειας των καυσίμων σε σύγκριση με την διακριτή παραγωγή θέρμανσης, ψύξης και ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 5: Σχεδιάγραμμα τυπικής εγκατάστασης τριπαραγωγής 4

20 Η κλιματική αλλαγή αναμένεται να ενταθεί τα επόμενα έτη σαν συνέπεια της αυξανόμενης συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου λόγω και της καύσης των ορυκτών καυσίμων. Οι εκπομπές μπορούν να μειωθούν από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής απόδοσης, κάτι που καθίσταται εφικτό από ην πρόοδο στις τεχνολογίες των υλικών, της μεταφοράς θερμότητας, της καύσης κλπ. Ένα σύστημα τριπαραγωγής αξιοποιεί όλες αυτές τις προόδους ενσωματώνοντας τες στον εξοπλισμό του συστήματος. Τα συστήματα τριπαραγωγής εν γένει παράγουν ταυτόχρονα θέρμανση, ψύξη και ηλεκτρική ενέργεια μέσω κάποιας κοινής πηγής ενέργειας, πολλές φορές μάλιστα αυτή η πηγή ενέργειας είναι η απορριπτόμενη από κάποια άλλη εγκατάσταση ενέργεια αυξάνοντας έτσι το συνολικό βαθμό απόδοσης της εγκατάστασης. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει διάφορες έρευνες στα συστήματα τριπαραγωγής, οι περισσότερες εκ των οποίων επικεντρώνονται στη χρήση μιας μηχανής εσωτερικής καύσης για την πρόσδοση της απαιτούμενης ενέργειας στο σύστημα, ενώ σε σπανιότερες περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν αεριοστρόβιλοι για τον ίδιο σκοπό. Οι Vaja και Gambarotta [10], για παράδειγμα, μελέτησαν τη σύζευξη ενός οργανικού κύκλου Rankine, σαν τον κύκλο που θα συνδεθεί με μία Μ.Ε.Κ., παρατηρώντας μια αύξηση 12% στο συνολικό βαθμό απόδοσης, ενώ ο Wang [11] αξιολόγησε τη συμπεριφορά ενός ORC, το οποίο τροφοδοτούνταν ενεργειακά από την απορριπτόμενη θερμότητα κάποιας εγκατάστασης, σε σύζευξη με ένα κύκλο VCC, υπολογίζοντας ένα COP της τάξης του Ένα παράδειγμα συστήματος τριπαραγωγής, που μελέτησαν οι P.Ahmadi, I.Dincer και M.A.Rosen [8], εκμεταλλεύεται την απορριπτόμενη θερμότητα ενός κύκλου Brayton για να κινήσει μέσω ενός εναλλάκτη ένα κύκλο ORC, ο οποίος με τη σειρά του είναι συζευγμένος με ένα απλό ψύκτη απορρόφησης, όπως φαίνεται και στο σχήμα που ακολουθεί στην επόμενη σελίδα. Ενδεικτικά, παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα κάποια θερμοδυναμικά στοιχεία για τον εν λόγω κύκλο, όπως αυτά δίδονταν στη σχετική μελέτη [8]: Περιγραφή Θερμικό φορτίο Ψυκτικό φορτίο Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια Τιμή kw kw 1500 kw Θερμικός βαθμός απόδοσης 0.89 COP 0.44 Πίνακας 1: Θερμοδυναμικά στοιχεία του συστήματος τριπαραγωγής που μελέτησαν οι P.Ahmadi, I.Dincer και M.A.Rosen [8] 5

21 Εικόνα 6: Σχεδιάγραμμα του συστήματος τριπαραγωγής που μελέτησαν οι P.Ahmadi, I.Dincer και M.A.Rosen[8] Γενικά, ο κύκλος ORC, όπως φαίνεται και παραπάνω, δύναται να αποτελέσει μέρος ενός συστήματος τριπαραγωγής, παράγοντας μηχανική και κατ επέκταση μέσω μιας γεννήτριας ηλεκτρική ενέργεια. Η βιομάζα, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται χρόνια για θέρμανση στη Βόρεια Ευρώπη, ενώ τελευταία τείνει να χρησιμοποιηθεί και στα συστήματα τριπαραγωγής σαν μια πιο «καθαρή» πηγή ενέργειας για το σύστημα. Στα πλαίσια αυτού του ρεύματος, σε μία μελέτη τους οι F.Al-Sulaiman, I.Dincer και F.Hamdullahpur [9] εξετάζουν ένα σύστημα τριπαραγωγής που αποτελείται από ένα λέβητα βιομάζας, ένα κύκλο ORC και ένα απλό ψύκτη απορρόφησης, όπως φαίνεται στην εικόνα 7 που ακολουθεί. Η απορριπτόμενη θερμότητα από το ORC χρησιμεύει για ψύξη και θέρμανση μέσω του ψύκτη απορρόφησης και ενός εναλλάκτη θερμότητας, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη μελέτη, ο μέγιστος ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης του συστήματος ήταν 14%, ο μέγιστος βαθμός απόδοσης για την συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ψύξης ήταν 17%, ενώ για τη συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θέρμανσης ο βαθμός απόδοσης ανερχόταν στο 87%. Τέλος, για την τριπαραγωγή ο βαθμός απόδοσης ανερχόταν περί το 89%. 6

22 Εικόνα 7: Το σύστημα τριπαραγωγής που μελέτησαν οι F.Al-Sulaiman, I.Dincer και F.Hamdullahpur [9] Στα πλαίσια του έντονου επιστημονικού ενδιαφέροντος για τον τομέα της τριπαραγωγής, η παρούσα εργασία, όπως έχει ήδη αναφερθεί, μελετά ένα παρόμοιο σύστημα που συνδυάζει έναν υπερκρίσιμο οργανικό κύκλο Rankine παραγωγής θέρμανσης και ηλεκτρικής ενέργειας με ένα ψυκτικό κύκλο μηχανικής συμπίεσης για παραγωγή ψύξης. Για περιορισμό των απωλειών, οι άξονες στροβίλου και συμπιεστή προβλέπεται να είναι άμεσα συζευγμένοι. Σημειώνεται ότι το εν λόγω σύστημα διαθέτει το πλεονέκτημα έναντι της ψύξης με απορρόφηση ότι υπάρχει ευελιξία της εξόδου ισχύος όταν η ψύξη δεν είναι απαραίτητη καθώς ο ψυκτικός κύκλος δύναται να απομονώνεται σε τέτοιες περιπτώσεις. Έτσι, το καλοκαίρι το σύστημα μπορεί να παράγει τη μέγιστη ψυκτική ισχύ του ενώ το χειμώνα που δεν υπάρχει ανάγκη ψύξης να απομονώνεται το ψυκτικό κύκλωμα και να λειτουργεί μόνο το τμήμα της θέρμανσης με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από την περίσσεια της ισχύος που θα υπάρχει. 7

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Βελτιστοποίηση θερμοδυναμικού κύκλου και εκλογή συνθηκών λειτουργίας 2.1 Υπολογισμός θερμοδυναμικού κύκλου Βασικό ζητούμενο, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι ο σχεδιασμός κατάλληλης -μικρής κλίμακας- διάταξης που θα υλοποιεί έναν υπερκρίσιμο οργανικό κύκλο Rankine (ORC) με οργανικό μέσο που θα εκλεγεί σε επόμενο στάδιο της παρούσας εργασίας. Η θέρμανση του οργανικού μέσου θα πραγματοποιείται μέσω εναλλάκτη θερμότητας από νερό -ή κάποιο θερμικό έλαιο, κάτι που επίσης θα προσδιοριστεί στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας- που προέρχεται από λέβητα πελλετών ξύλου ισχύος 60 kw. Μετά τη θέρμανση του, που αποσκοπεί στο να μεταβεί στην υπερκρίσιμη κατάσταση, το οργανικό μέσο αποτονώνεται σε στρόβιλο και κατόπιν συμπυκνώνεται σε κατάλληλο εναλλάκτη ώστε να τροφοδοτήσει και τον ψυκτικό κύκλο ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις, όπως αυτές ορίζονται από το διαχειριστή του συστήματος. Μεταξύ στροβίλου και συμπυκνωτή εξετάζεται δοκιμαστικά η χρήση αναγεννητή που θα προθερμαίνει το οργανικό μέσο πριν την είσοδο του στον εναλλάκτη που επικοινωνεί με το κύκλωμα του λέβητα. Το τμήμα της παροχής που διοχετεύεται στον ψυκτικό κύκλο αφού διέλθει και από τον συμπιεστή αναμειγνύεται εκ νέου με το υπόλοιπο ρεύμα πριν την είσοδο του συμπυκνωτή. Το σύστημα που περιγράφηκε εν συντομία παραπάνω παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί [6]: Εικόνα 8: Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης τριπαραγωγής, βάσει του οποίου θα γίνει η προσομοίωση και η εκλογή του οργανικού μέσου 8

24 Καθότι, το οργανικό μέσο δεν είναι προκαθορισμένο δοκιμάζουμε διάφορα οργανικά μέσα και συγκρίνουμε τα αποτέλεσμα για κάθε μέσο όπως αυτά προκύπτουν από την επίλυση του κύκλου. Βασικός περιορισμός στα οργανικά μέσα που ελέγχτηκαν είναι το γεγονός ότι θα θερμανθούν από υγρό -νερό ή θερμικό έλαιο- θερμοκρασίας οπότε λαμβάνοντας και υπόψη ένα Pinch Point της τάξης των προκύπτει ότι για να είναι εφικτό ένα οργανικό μέσο να χρησιμοποιηθεί πρέπει η κρίσιμη θερμοκρασία του να μην υπερβαίνει τους. Δεύτερος περιορισμός για την τελική επιλογή μιας σειράς οργανικών μέσων είναι η κρίσιμη πίεση αυτών να είναι σχετικά χαμηλή (εν προκειμένου να μην υπερβαίνει τα 60bar), καθότι υπάρχουν περιορισμοί αντοχής τόσο των εναλλακτών όσο και του στροβίλου. Έτσι καταλήξαμε στην παρακάτω λίστα με οργανικά μέσα: Οργανικό μέσο Διάρκεια Ζωής (έτη) Κρίσιμη Θερμοκρασία ( C) Κρίσιμη πίεση (bar) R-143a 52 72,9 37,76 R-404A 40,36 72,14 37,35 R-410A 16,95 70,17 47,70 R-507A 40,5 70,74 37,15 R-1234yf 0, R Πίνακας 2: Λίστα των υποψήφιων οργανικών μέσων Σημειώνεται ότι ως διάρκεια ζωής του οργανικού μέσου ορίζεται η διάρκεια που διατηρεί τις θερμοχημικές του ιδιότητες αν αφεθεί ελεύθερο σε συνθήκες περιβάλλοντος. Για κάθε οργανικό μέσο θέτουμε μία πίεση που θα αποκτά μετά από την αντλία ελαφρώς μεγαλύτερη κατά ένα ποσοστό (στην αρχή ίσο με 6%) από την κρίσιμη πίεση του κάθε μέσου. Για την θερμοδυναμική επίλυση του συστήματος θέτουμε τυπικούς βαθμούς απόδοσης: Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης συμπιεστή: Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης στροβίλου: Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης αντλίας: Μηχανικός βαθμός απόδοσης ατράκτου: Βαθμός απόδοσης γεννήτριας: Βαθμός απόδοσης ηλεκτροκινητήρα: Για την πρώτη επίλυση του κύκλου θέσαμε θερμοκρασία εξόδου από τον εναλλάκτη ίση με. Αντίστοιχα, ως θερμοκρασία συμπύκνωσης τέθηκαν οι, ενώ η ατμοποίηση πραγματοποιείται στους. Έχοντας θέσει τις βασικές παραμέτρους, μπορούμε πλέον να επιλύσουμε τον κύκλο και να προσδιορίσουμε την πίεση και τη θερμοκρασία που επικρατεί σε κάθε σημείο: 9

25 Σημείο 5: έξοδος από συμπυκνωτή/είσοδος στο τροφοδοτικό δοχείο Έχοντας θέσει την θερμοκρασία εξόδου από το συμπυκνωτή (ίση με τη θερμοκρασία συμπύκνωσης), η πίεση συμπύκνωσης μπορεί να υπολογισθεί ως η πίεση κορεσμένου υγρού στη συγκεκριμένη θερμοκρασία συμπύκνωσης. Κατ αντιστοιχία, μπορούμε να υπολογίσουμε και την ενθαλπία και την εντροπία του εν λόγω σημείου. Σημείο 5α: έξοδος από τροφοδοτικό δοχείο/ είσοδος στην αντλία Πρόκειται για κορεσμένο υγρό στην ίδια πίεση με το σημείο 5 συνεπώς σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία συμπύκνωσης-. Η χρησιμότητα του εν λόγω σημείου είναι σε περίπτωση που στην έξοδο από τον συμπυκνωτή λόγω κάποιας δυσλειτουργίας είμαστε ακόμα εντός της διφασικής περιοχής, το τροφοδοτικό δοχείο εξασφαλίζει ότι στην αντλία θα εισέρχεται κορεσμένο υγρό. Έχοντας τη θερμοκρασία και την πίεση μπορούν εύκολα να προσδιοριστούν τόσο η ενθαλπία όσο και η εντροπία του σημείου. Σημείο 6: έξοδος από αντλία/είσοδος στον εναλλάκτη Η πίεση σε αυτό το σημείο έχει τεθεί ήδη ως ένα ποσοστό της κρίσιμης πίεσης, όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω. Έχοντας προσδιορίσει το σημείο 5 μπορούμε για τη δεδομένη πίεση να προσδιορίσουμε το ισεντροπικό σημείο 6 (το υποθετικό δηλαδή σημείο 6 εφόσον επρόκειτο για ιδανική αντλία και η μεταβολή ήταν ισεντροπική). Με τη βοήθεια της ενθαλπίας του ισεντροπικού σημείου 6 και του ισεντροπικού βαθμού απόδοσης της αντλίας, υπολογίζεται η ενθαλπία του πραγματικού σημείου 6: Έχοντας την πίεση και την ενθαλπία του σημείου 6 είναι εφικτό με την βοήθεια του προγράμματος Coolprop να προσδιορίσουμε και την εντροπία και τη θερμοκρασία του σημείου 6. Σημείο 8: έξοδος από εναλλάκτη/είσοδος στο στρόβιλο Στον εναλλάκτη θεωρούμε ότι είναι αμελητέες οι πτώσεις πίεσης, οπότε η πίεση στο σημείο 8 είναι ίση με αυτή του σημείου 7 και κατ επέκταση του σημείου 6. Η θερμοκρασία στο σημείο αυτό έχει τεθεί ήδη, οπότε έχοντας την πίεση και τη θερμοκρασία μπορούν να υπολογιστούν τόσο η ενθαλπία όσο και η εντροπία του σημείου 8. Σημείο 9: έξοδος από στρόβιλο/ είσοδος στον αναγεννητή Η πίεση στο συγκεκριμένο σημείο, πάλι με την παραδοχή μηδενικών πτώσεων πίεσης στους εναλλάκτες, θα είναι ίση με την πίεση συμπύκνωσης που έχει ορισθεί παραπάνω. Για τον υπολογισμό των λοιπών θερμοδυναμικών μεγεθών του σημείου, προσδιορίζεται πρώτα το 10

26 ισεντροπικό σημείο 9 που αντιστοιχεί στη συγκεκριμένη πίεση και κατόπιν μέσω της ενθαλπίας αυτού και του ισεντροπικού βαθμού απόδοσης του στροβίλου προσδιορίζεται η ενθαλπία του πραγματικού σημείου 9: Χρησιμοποιώντας την πίεση και την ενθαλπία, είναι εφικτό να προσδιορισθούν η θερμοκρασία και η εντροπία του σημείου 9. Σημείο 10:έξοδος από αναγεννητή Η πίεση στο σημείο 10 είναι ίση με την πίεση του σημείου 9, με την υπόθεση των μηδενικών απωλειών πίεσης στους εναλλάκτες. Η ενθαλπία στο σημείο 10 προσδιορίζεται μέσω ενός ισολογισμού ενέργειας στον αναγεννητή: Δεδομένων πλέον της πίεσης και της ενθαλπίας στο σημείο 9, προσδιορίζονται και τα λοιπά θερμοδυναμικά μεγέθη (θερμοκρασία, εντροπία). Σημείο 1: έξοδος από ατμοποιητή/είσοδος στο συμπιεστή Υποθέτουμε ότι στο συγκεκριμένο σημείο το οργανικό μέσο είναι κορεσμένο οπότε έχοντας θέσει εξ αρχής τη θερμοκρασία του ατμοποιητή είναι δυνατό να προσδιορισθούν η πίεση, η ενθαλπία και η εντροπία στο συγκεκριμένο σημείο. Σημείο 2: έξοδος από συμπιεστή Η πίεση στην έξοδο του συμπιεστή θέλουμε να είναι ίση με τη πίεση του συμπυκνωτή ώστε να μην χρειάζεται να μεσολαβήσει κάποια εκτονωτική βαλβίδα για να φέρει το οργανικό μέσο στην σωστή πίεση για να γίνει η ανάμιξη με το ρεύμα που έρχεται από τον αναγεννητή. Για τον προσδιορισμό των λοιπών μεγεθών στο σημείο 2, προσδιορίζεται προηγουμένως το ισεντροπικό σημείο 2 και μέσω της ενθαλπίας αυτού και του ισεντροπικού βαθμού του συμπιεστή υπολογίζεται τελικά η ενθαλπία του πραγματικού σημείου 2: Κατ αντιστοιχία με προηγούμενες περιπτώσεις, αξιοποιώντας την ενθαλπία και την πίεση προσδιορίζεται η θερμοκρασία και η εντροπία του σημείου 2. 11

27 Σημείο 3: έξοδος από συμπυκνωτή- ψυκτικός κύκλος Το σημείο αυτό ταυτίζεται με το σημείο 5 που έχει υπολογιστεί προηγουμένως. Ο διαχωρισμός έχει γίνει για να είναι πιο εμφανής η διάκριση των δύο ρευμάτων. Σημείο 4: έξοδος από στραγγαλιστική βαλβίδα/ είσοδος ατμοποιητή Στην στραγγαλιστική βαλβίδα πραγματοποιείται ισενθαλπικός στραγγαλισμός της ροής, οπότε η ενθαλπία του σημείου 4 ταυτίζεται με αυτή του σημείου 3. Η πίεση είναι ίση με την χαμηλή πίεση του ψυκτικού κύκλου (πίεση σημείου 1). Έχοντας την πίεση και την ενθαλπία προσδιορίζονται και η θερμοκρασία με την εντροπία του σημείου 4. Κύκλωμα λέβητα πελλετών Ο λέβητας πελλετών που χρησιμοποιείται είναι ισχύος 60 kw με βαθμό απόδοσης 82.88% και χρησιμοποιεί ως καύσιμο πελλέτες ξύλου μέσης κατώτερης θερμογόνου ικανότητας ίσης με. Βάσει αυτών των δεδομένων μπορούμε να υπολογίσουμε την παροχή καυσίμου: Η ισχύς των 60 kw αξιοποιείται για τη θέρμανση νερού το οποίο διερχόμενο από τον εναλλάκτη θερμαίνει το οργανικό μέσο (μεταβολή 7-8). Συνεπώς ισχύει: Από όπου προσδιορίζεται η παροχή μάζας στο κύκλωμα ORC ως εξής: Θέτοντας ως pinch point τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο του εναλλάκτη τους, προσδιορίζουμε από τις θερμοκρασίες των σημείων 7 και 8 τις θερμοκρασίες στην έξοδο και στην είσοδο αντίστοιχα. Η πίεση στο κύκλωμα του νερού του λέβητα προσδιορίζεται δεχόμενοι ότι για τη θερμοκρασία και για τη δεδομένη πίεση έχουμε κορεσμένο ατμό. Έχοντας την πίεση και την θερμοκρασία στην είσοδο και στην έξοδο από τον εναλλάκτη είναι εφικτός ο προσδιορισμός των αντίστοιχων ενθαλπιών και εντροπιών. Έτσι, προσδιορίζεται βάσει του παραπάνω ισολογισμού και η παροχή του νερού στο κύκλωμα του λέβητα και κατ επέκταση η ισχύς που καταναλώνει ο κυκλοφορητής του κυκλώματος του λέβητα: 12

28 Ψυκτικός κύκλος Για την πρώτη επίλυση του κύκλου θέτουμε ότι η ψυκτική ικανότητα της διάταξης είναι ίση με 7 kw. Έτσι, η παροχή μάζας στο τμήμα του ψυκτικού κύκλου είναι ίση με: Σημείο 11: ανάμειξη ρευμάτων/ είσοδος συμπυκνωτή Στο σημείο 11 γίνεται ανάμειξη του ρεύματος που προέρχεται από τον ψυκτικό κύκλο κατάστασης 2 και παροχής και του ρεύματος που προέρχεται από τον αναγεννητή κατάστασης 10 και παροχής. Οπότε η παροχή μάζας στο συμπυκνωτή είναι ίση με το άθροισμα των παροχών των δύο ρευμάτων από ισολογισμό μάζας: Υποθέτοντας ότι πρόκειται για αδιαβατική ανάμειξη, από ισολογισμό ενέργειας υπολογίζεται η ενθαλπία του σημείου 11: Η πίεση στο σημείο 11 είναι ίδια με αυτή των σημείων 2 και 10 και ίση με την πίεση του συμπυκνωτή. Έχοντας πλέον την πίεση και την ενθαλπία, προσδιορίζεται και η θερμοκρασία όσο και η εντροπία του σημείου 11. Βαθμοί απόδοσης της διάταξης Καθότι πλέον έχουν υπολογιστεί όλα τα σημεία του κύκλου, μπορούν να υπολογιστούν η ισχύς του κάθε στοιχείου της διάταξης και εν συνεχεία οι βαθμοί απόδοσης της διάταξης που θα αποτελέσουν τους δείκτες για την τελική εκλογή του οργανικού μέσου με μια διαδικασία που αναλυθεί σε επόμενο στάδιο. Η ισχύς της αντλίας ισούται με: Η ισχύς που καταναλώνει ο ηλεκτροκινητήρας της αντλίας είναι ίση με: Η ισχύς που παραλαμβάνεται από το στρόβιλο είναι ίση με: 13

29 Η δε θερμότητα που προσφέρεται στο κύκλωμα του O.R.C. είναι ίση με: Οπότε ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κυκλώματος O.R.C. είναι ίσος με: Η ισχύς που καταναλώνει ο συμπιεστής είναι ίση με: Οπότε η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από τη γεννήτρια είναι ίση με: Η δε καθαρή παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς της εγκατάστασης (όταν δεν είναι σε λειτουργία ο ψυκτικός κύκλος) είναι ίση με: Ενώ όταν λειτουργεί και ο ψυκτικός κύκλος: Και ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης είναι ίσος με: Ο δε συντελεστής συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου είναι ίσος με: Η θερμική ισχύς που παρέχει ο συμπυκνωτής είναι ίση με: Θερμικός βαθμός απόδοσης εγκατάστασης: Ολικός βαθμός απόδοσης τριπαραγωγής: 14

30 η th,orc (%) Οι υπολογισμοί της διαδικασίας που περιγράφηκε παραπάνω πραγματοποιήθηκαν στο περιβάλλον της Matlab και ο κώδικας που υλοποιεί τους εν λόγω υπολογισμούς επισυνάπτεται στο Παράρτημα της παρούσας εργασίας. 2.2 Εκλογή βασικών συνθηκών λειτουργίας της διάταξης Για αυτό το σκοπό έγιναν για καθένα από τα οργανικά μέσα που αναφέρθησαν δοκιμές για διάφορες συνθήκες πίεσης στην έξοδο από την αντλία, θερμοκρασίας ατμοποιητή, θερμοκρασίας συμπυκνωτή, θερμοκρασίας εξόδου από τον εναλλάκτη και ψυκτικής ισχύος ώστε να καθοριστεί το βέλτιστο σημείο λειτουργίας για κάθε μέσο και να γίνει η τελική εκλογή οργανικού μέσου. Έτσι για κάθε μεταβολή μεγέθους που αναφέρεται παρακάτω, παρουσιάζονται σε διαγράμματα σε σχέση με το θερμικό βαθμό απόδοσης, τον ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης και το συντελεστή συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου η συμπεριφορά του κάθε οργανικού μέσου στην εκάστοτε μεταβολή. Επιπλέον, παρουσιάζεται και το διάγραμμα που δείχνει την αντίστοιχη μεταβολή σε σχέση με την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ για καλύτερη εποπτεία της επίδρασης της κάθε μεταβολής. I. Συμπεριφορά βαθμών απόδοσης ανάλογα με πίεση στην έξοδο από αντλία Κρατώντας όλες τις υπόλοιπες αρχικές συνθήκες σταθερές και ίσες με τις τιμές που έχουν ήδη αναφερθεί, μεταβάλλουμε την τιμή της πίεσης που θα έχει το εκάστοτε οργανικό μέσο στην έξοδο από την αντλία ώστε να είναι κατά τι μεγαλύτερη από την εκάστοτε κρίσιμη πίεση. Το πεδίο τιμών της πίεσης κυμαίνεται κατά αυτό τον τρόπο από 8% έως 38% μεγαλύτερο από την εκάστοτε κρίσιμη πίεση του μέσου. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρουσιάζονται στα διαγράμματα που ακολουθούν: P orc - η th,orc R143a R410A R404A R507A R1234yf R P orc (bar) Εικόνα 9: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας 15

31 COP vcc η el (%) P orc - COP vcc R143a R410A R404A R507A R1234yf R P orc (bar) Εικόνα 10: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας P orc - η el R143a (VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R P orc (bar) Εικόνα 11: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας 16

32 P el (kw) P orc - P el R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R P orc (bar) Εικόνα 12: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες πιέσεις λειτουργίας Από τα παραπάνω διαγράμματα παρατηρούμε ότι κάθε οργανικό μέσο διαθέτει μία βέλτιστη πίεση για την οποία μεγιστοποιούνται οι βαθμοί απόδοσης. Οι πιέσεις αυτές παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: Οργανικό μέσο Βέλτιστη πίεση (bar) R143a 48,52 R410A 62,49 R404A 48,74 R507A 49,46 R1234yf 34,4 R218 31,28 Πίνακας 3: Η βέλτιστη πίεση λειτουργίας ανά οργανικό μέσο Σημειώνεται ότι για όλες τις δοκιμές που ακολουθούν χρησιμοποιήθηκαν οι παραπάνω πιέσεις για το αντίστοιχο μέσο. II. Συμπεριφορά βαθμών απόδοσης σε σχέση με θερμοκρασία εξόδου από εναλλάκτη Σε αυτή την περίπτωση μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία με την οποία εξέρχεται το εκάστοτε οργανικό μέσο από τον εναλλάκτη και διατηρούμε όλες τις άλλες συνιστώσες σταθερές. -με την υποσημείωση ότι, όπως έχει ήδη αναφερθεί, η πίεση του εκάστοτε μέσου στον εναλλάκτη είναι η βέλτιστη που προσδιορίστηκε παραπάνω-. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα διαγράμματα που ακολουθούν: 17

33 η th,orc (%) 5 T hex - η th,orc R143a R410A R404A R507A R1234yf R T hex ( o C) Εικόνα 13: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου 3.8 T hex - COP vcc R143a R410A R404A R507A R1234yf R COP vcc T hex ( o C) Εικόνα 14: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου 18

34 P el (kw) η el (%) R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R218 T hex - η el T hex ( o C) Εικόνα 15: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R218 T hex - P el T hex ( o C) Εικόνα 16: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες μέγιστες θερμοκρασίες του κύκλου 19

35 η th,orc (%) Όπως παρατηρούμε όσο μεγαλύτερη είναι η εξεταζόμενη θερμοκρασία τόσο αυξάνεται και η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς όπως και ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κύκλου ORC. III. Συμπεριφορά βαθμών απόδοσης σε σχέση με θερμοκρασία συμπύκνωσης Σε αυτή την περίπτωση μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία με την οποία εξέρχεται το εκάστοτε οργανικό μέσο από τον συμπυκνωτή και διατηρούμε όλες τις άλλες συνιστώσες σταθερές. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα διαγράμματα που ακολουθούν: T cond - η th,orc R143a R410A R404A R507A R1234yf R T cond ( o C) Εικόνα 17: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή 20

36 η el (%) T cond - COP vcc R143a R410A R404A R507A R1234yf R218 COP vcc T cond ( o C) Εικόνα 18: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή T cond - η el R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R T cond ( o C) Εικόνα 19: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή 21

37 P el (kw) T cond - P el R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R T cond ( o C) Εικόνα 20: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες θερμοκρασίες του συμπυκνωτή Παρατηρούμε ότι όσο μειώνεται η θερμοκρασία συμπύκνωσης τόσο αυξάνονται οι βαθμοί απόδοσης. Ωστόσο, πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι λόγω του pinch point του συμπυκνωτή, της αυξημένης θερμοκρασίας που θα υπάρχει στο περιβάλλον του συστήματος κατά τη λειτουργία αυτού αλλά και η ανάγκη να μπορούμε να καλύψουμε και τον ενδεχόμενο μιας πολύ θερμής μέρας καταλήγουμε ότι μία θερμοκρασία συμπύκνωσης μικρότερη από δεν είναι συνίσταται για τη συγκεκριμένη εγκατάσταση. Επιπλέον παρατηρείται, ότι για θερμοκρασία μεγαλύτερη από όλα τα οργανικά μέσα εκτός του R1234yf έχουν υστέρηση ηλεκτρικής ενέργειας όταν είναι ανοιχτό το κύκλωμα VCC κάτι που καθιστά φανερή από τώρα την επιλογή του οργανικού μέσου που θα γίνει παρακάτω. IV. Συμπεριφορά βαθμών απόδοσης σε σχέση με θερμοκρασία ατμοποίησης Κατ αντιστοιχία με προηγούμενες περιπτώσεις μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία ατμοποίησης και κρατώντας σταθερά τα υπόλοιπα μεγέθη επιλύουμε θερμοδυναμικά το σύστημα και υπολογίζουμε τους βαθμούς απόδοσης κατά περίπτωση οργανικού, οι οποίοι παρουσιάζονται γραφικά στα διαγράμματα που ακολουθούν: 22

38 η th,orc (%) 5 T cool - η th,orc R143a R410A R404A R507A R1234yf R T cool ( o C) Εικόνα 21: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή 4 T cool - COP vcc 3.5 R143a R410A R404A R507A R1234yf R218 3 COP vcc T cool ( o C) Εικόνα 22: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή 23

39 P el (kw) η el (%) R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R218 T cool - η el T cool ( o C) Εικόνα 23: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή R143a(VCC out) R410A R404A R507A R1234yf R218 R143a (VCC on) R410A R404A R507A R1234yf R218 T cool - P el T cool ( o C) Εικόνα 24: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες θερμοκρασίες του ατμοποιητή 24

40 η th,orc (%) Παρατηρείται ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ατμοποίησης τόσο αυξάνονται όλοι οι βαθμοί απόδοσης. Συνεπώς το μόνο όριο που τίθεται για τον τελικό καθορισμό της συγκεκριμένης θερμοκρασίας είναι to pinch point του συμπυκνωτή σε σχέση με τη θερμοκρασία του νερού που αποτελεί το θερμό ρεύμα που διέρχεται από το συμπυκνωτή. V. Συμπεριφορά βαθμών απόδοσης σε σχέση με ψυκτική ισχύ Κατ αντιστοιχία με προηγούμενες περιπτώσεις μεταβάλλουμε την ψυκτική ισχύ και κρατώντας σταθερά τα υπόλοιπα μεγέθη επιλύουμε θερμοδυναμικά το σύστημα και υπολογίζουμε τους βαθμούς απόδοσης κατά περίπτωση οργανικού, οι οποίοι παρουσιάζονται γραφικά στα διαγράμματα που ακολουθούν: 5 Q c - η th,orc R143a R410A R404A R507A R1234yf R Q c (kw) Εικόνα 25: Γραφική παράσταση μεταβολής του θερμικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος 25

41 COP vcc η el (%) Q c - COP vcc R143a R410A R404A R507A R1234yf R Q c (kw) Εικόνα 26: Γραφική παράσταση μεταβολής του COP για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Q c - η el R143a R410A R404A R507A R1234yf R Q c (kw) Εικόνα 27: Γραφική παράσταση μεταβολής του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος 26

42 P el (kw) Q c - P el R143a R410A R404A R507A R1234yf R Q c (kw) Εικόνα 28: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για τις διάφορες τιμές της ψυκτικής ισχύος Όπως είναι επόμενο, όσο μειώνεται η απαίτηση για ψυκτική ισχύ τόσο αυξάνονται οι βαθμοί απόδοσης, ενώ ο συντελεστής συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου παραμένει σταθερός. 2.3 Εκλογή οργανικού μέσου Στόχος της παραπάνω διαδικασίας ήταν να προσδιοριστούν οι συνθήκες που θα βελτιστοποιήσουν την απόδοση της εγκατάστασης για το εκάστοτε οργανικό μέσο, ώστε η σύγκριση για την τελική εκλογή του εργαζόμενου μέσου της εγκατάστασης να γίνει στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας του εκάστοτε μέσου. Έχοντας, έτσι, ως μεταβλητές την πίεση του οργανικού μέσου στην έξοδο της αντλίας, τη θερμοκρασία εξόδου από τον εναλλάκτη, τη θερμοκρασία συμπύκνωσης, η θερμοκρασία ατμοποίησης και την ψυκτική ισχύ, αναζητούμε τον βέλτιστο συνδυασμό των μεταβλητών αυτών που θα μεγιστοποιεί τους βαθμούς απόδοσης της εγκατάστασης και τον συντελεστή συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου. Υποψήφια βέλτιστα σημεία είναι όλοι εκείνοι οι συνδυασμοί των μεταβλητών που αποτελούν τοπικά ακρότατα των υποθετικών συναρτήσεων: 27

43 Για απλοποίηση του προβλήματος, στις μεταβλητές που οι καμπύλες που παρουσιάστηκαν παραπάνω εμφανίζουν μονοτονία εκλέγουμε ως τοπικά μέγιστα τα ανώτατα -ή κατώτατα όρια ανάλογα με το είδος της μονοτονίας- τα οποία υπαγορεύονται από τεχνικούς και λοιπούς περιορισμούς, ενώ σε όσα διαγράμματα δεν εμφανίζεται μονοτονία εκλέγεται το εκάστοτε τοπικό μέγιστο που προκύπτει από το σχετικό διάγραμμα. Έτσι καταλήγουμε στις βέλτιστες συνθήκες για τα τέσσερα οργανικά μέσα που μελετήσαμε: Οργανικό μέσο R143a R410A R404A R507A R1234yf R218 48,52 62,49 48,74 49,46 34,4 31, ,5 4 Πίνακας 4: Βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας ανά οργανικό μέσο Με τον παραπάνω συνδυασμό των «παραμέτρων εισόδου» προκύπτουν με μία για κάθε οργανικό μέσο επανάληψη του προγράμματος επίλυσης της εγκατάστασης τα εξής αποτελέσματα: Οργανικό μέσο R143a R410A R404A R507A R1234yf R218 3,5282 3,4892 3,4077 3,3197 4,7506 3,6488 1,7797 1,7332 1,6681 1,5540 3,1106 2,1120 0, , ,6438 3,7208 3,6055 3,5510 3,8465 3,0287 Πίνακας 5: Βαθμοί απόδοσης των οργανικών μέσων για τις συνθήκες λειτουργίας του Πίνακα 3 Σημειώνεται ότι οι περιπτώσεις που έχουν βαθμό απόδοσης 0 σημαίνουν ότι το εν λόγω οργανικό μέσο για τις δεδομένες συνθήκες δεν μπορεί να αποδώσει τόση ψυκτική ισχύ. Παρατηρείται ότι επικρατέστερο είναι εμφανώς το R1234yf καθότι παρουσιάζει καλύτερους βαθμούς απόδοσης ενώ μειώνει και την μέγιστη πίεση του κύκλου, κάτι που συνεπάγεται μειωμένο κόστος πολλών στοιχείων. Επιπλέον το συγκεκριμένο μέσο συμβαδίζει και με το πρωτόκολλο του Μόντρεαλ, οπότε καθίσταται πλέον ιδανική επιλογή για την υλοποίηση του υπερκρίσιμου οργανικού κύκλου. 2.4 Απόδοση εγκατάστασης στα διάφορα ψυκτικά φορτία Έχοντας πλέον εκλέξει το εργαζόμενο μέσο, μπορούμε να ελέγξουμε την συμπεριφορά της εγκατάστασης στις εκάστοτε απαιτήσεις ψυκτικού φορτίου και τις απαιτήσεις για θερμότητα (μειώνοντας συνεχώς τη θερμοκρασία συμπύκνωσης μέχρι το όριο λόγω pinch point των μειώνεται και η παραγόμενη θερμότητα) σε σύγκριση με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρουσιάζονται στα κάτωθι διαγράμματα: 28

44 P el (kw) P el (kw) Q c - P el T cond =30 o C T cond =34 o C T cond =38 o C T cond =42oC T cond =46 o C T cond =50 o C Q c (kw) Εικόνα 29: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας συμπύκνωσης και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος 3.5 Q heat - P el T cond =30 o C T cond =34 o C T cond =38 o C T cond =42oC T cond =46 o C T cond =50 o C Q heat (kw) Εικόνα 30: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης θερμικής ισχύος για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας συμπύκνωσης και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος 29

45 P el (kw) P el (kw) Q c - P el Q bio =10kW Q bio =20kW Q bio =30kW Q bio =40kW Q bio =50kW Q bio =60kW Q c (kw) Εικόνα 31: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος για διάφορες τιμές της προσδιδόμενης από τον λέβητα ισχύος και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος 2 Q heat - P el Q bio =10kW Q bio =20kW Q bio =30kW Q bio =40kW Q bio =50kW Q bio =60kW Q heat (kw) Εικόνα 32: Γραφική παράσταση μεταβολής της παραγόμενης θερμικής ισχύος για διάφορες τιμές της προσδιδόμενης από τον λέβητα ισχύος και της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος Επιδρώντας λοιπόν στη θερμοκρασία συμπύκνωσης και στην αποδιδόμενη από το λέβητα ισχύ (μέσω της παροχής μάζας καυσίμου στο λέβητα) μπορούμε να μεταβάλλουμε το σημείο λειτουργίας ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις. 30

46 2.5 Τελική διάταξη Βάσει των συνθηκών και του οργανικού μέσου που εκλέξαμε παραπάνω, παρατηρείται ότι η χρήση αναγεννητή δεν προσφέρει σημαντικό κέρδος στην εγκατάσταση. Λαμβάνοντας υπόψη και το γεγονός του αυξημένου κόστους που θα συνεπαγόταν η τοποθέτηση ενός αναγεννητή για τις δεδομένες συνθήκες (το ψυχρό ρεύμα βρίσκεται υπό πίεση 34,4 bar οπότε θα χρειαζόμασταν ένα δεύτερο πλακοειδή συγκολλητό εναλλάκτη) προτιμήθηκε να μην χρησιμοποιηθεί αναγεννητής. Οπότε η διάταξη που θα αναλυθεί στη συνέχεια θα είναι ως εξής: Εικόνα 33: Τελική διάταξη εγκατάστασης προς σχεδιασμό Οι δε συνθήκες λειτουργίας ανά σημείο είναι ως εξής: ( ) α/α Παροχή όγκου (m³/h) Θερμοκρασία ( C) Πίεση (bar) 1 4,8596 7,5 4, , , , , , ,9163 7,5 4, , ,0232 5a 1, , , , ,4 7 1, , ,4 8 6, ,4 9 22, , , , , , , , ,0232 Πίνακας 6: Συνθήκες λειτουργίας για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 100 C 31

47 Θεμροκρασία T ( o C) Κάποια συμπληρωματικά θερμοδυναμικά στοιχεία για την διάταξη παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: Περιγραφή Σύμβολο Τιμή (για Q=3kW) Τιμή (για Q=0kW) Παροχή μάζας στο 0,4493 0,4493 κύκλωμα ORC Παροχή μάζας στο κύκλωμα VCC 0, Ισχύς αντλίας 1,48 1,48 Ισχύς στροβίλου 4,33 4,33 Ονομαστική ισχύς 3,61 3,61 γεννήτριας Θερμικός βαθμός 85,89 80,49 απόδοσης εγκατάστασης Ολικός βαθμός απόδοσης εγκατάστασης 92,75 83,11 Πίνακας 7: Πρόσθετα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά διάταξης Ενώ, τα διαγράμματα T-h, T-s που περιγράφουν τις άνωθεν μεταβολές έχουν την μορφή που παρουσιάζεται παρακάτω: T - h =7 3=5=5a 11 9= ενθαλπία h (kj/kg) Εικόνα 34: Ο υπερκρίσιμος κύκλος που υλοποιεί η εγκατάσταση σε διάγραμμα T-h 32

48 Θερμοκρασία Τ ( o C) T - s =7 3=5=5a = εντροπία s (kj/kgk) Εικόνα 35: Ο υπερκρίσιμος κύκλος που υλοποιεί η εγκατάσταση σε διάγραμμα T-s 2.6 Μια εναλλακτική προσέγγιση Έχοντας σαν δεδομένο το οργανικό μέσο που εκλέξαμε, μία πιο «θεωρητική» σε επίπεδο εφαρμογής, αν στον λέβητα θερμαίνεται νερό, προσέγγιση θα ήταν η μελέτη του κύκλου αν η θερμοκρασία της υπερκρίσιμης κατάστασης ήταν αντί για καθώς έτσι, όπως θα αποδείξουμε παρακάτω, το οργανικό μέσο συμπεριφέρεται καλύτερα καθώς έχουμε απομακρυνθεί αρκετά από το κρίσιμο σημείο του και κατ επέκταση το ψευδοκρίσιμο σημείο του-. Το πρόβλημα στην επίτευξη της θερμοκρασίας αυτής είναι ότι απαιτείται πηγή θέρμανσης περί τους, κάτι που σε ένα λέβητα πελλετών με συνήθεις πιέσεις λειτουργίας του νερού περί τα ελλοχεύει τον κίνδυνο να δημιουργηθούν τοπικά εντός του λέβητα σημεία όπου θα πραγματοποιείται ατμοποίηση του νερού,εκτός αν υπάρχει ειδική πρόβλεψη για λειτουργία αποκλειστικά σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, με συνέπεια να υπάρχει κίνδυνος για τη λειτουργία εν γένει του λέβητα. Για να είναι εφικτή η εν λόγω τροποποίηση, πρέπει το νερό στο λέβητα να αντικατασταθεί με κάποιο θερμικό έλαιο που θα μπορεί να λειτουργήσει στις συγκεκριμένες θερμοκρασίες και πιέσεις χωρίς τον κίνδυνο να ατμοποιηθεί, εφόσον όπως θα αποδειχθεί είναι προς το συμφέρον της εγκατάστασης η αλλαγή αυτή. Παρόλα αυτά ακόμα και στην περίπτωση που να μην συμφέρει η αντικατάσταση του νερού με κάποιο θερμικό έλαιο, καθότι παρουσιάζει ερευνητικό ενδιαφέρον ακολουθεί η συμπεριφορά του R1234yf για διάφορες πιέσεις με θερμοκρασία στην υπερκρίσιμη κατάσταση στους, οι σχετικές αλλαγές στις συνθήκες λειτουργίας καθώς και τα διαγράμματα T-s και T-h για την συγκεκριμένη τροποποίηση. 33

49 η el (%) η th,orc (%) 5.4 P orc - η th,orc o C 110 o C P orc (bar) Εικόνα 36: Γραφική παράσταση σύγκρισης θερμικού βαθμού απόδοσης σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα P orc - η el 100 o C 110 o C P orc (bar) Εικόνα 37: Γραφική παράσταση σύγκρισης του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα 34

50 COP vcc P el (kw) P orc - COP vcc 110 o C 100 o C P orc (bar) Εικόνα 38: Γραφική παράσταση σύγκρισης του COP σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα P orc - P el 100 o C 110 o C P orc (bar) Εικόνα 39: Γραφική παράσταση σύγκρισης της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος σε διάφορες πιέσεις στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα 35

51 Όπως παρατηρούμε η αύξηση της θερμοκρασίας επιδρά σημαντικά στο θερμικό και τον ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης του συστήματος, ενώ ο συντελεστής συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου παραμένει ανεπηρέαστος δεδομένου ότι δεν μεταβάλλαμε κάποια από τις συνθήκες του ψυκτικού κύκλου. Για να είναι και ποσοτικά εμφανής η διαφορά παρουσιάζονται οι βαθμοί απόδοσης στα βέλτιστα σημεία για τις δύο περιπτώσεις: Συνθήκες 4,7506 5,2772 ( 1,4627 1,9146 ( 3,1106 3,5624 3,5697 3,5697 Πίνακας 8: Σύγκριση βέλτιστων βαθμών απόδοσης στις περιπτώσεις που η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου είναι 100 C και 110 C αντίστοιχα Οι δε συνθήκες λειτουργίας ανά σημείο για τους είναι ως εξής: α/α Παροχή όγκου (m³/h) Θερμοκρασία ( C) Πίεση (bar) 1 4,8596 7,5 4, , , , , , ,9163 7,5 4, , ,0232 5a 1, , , , ,61 7 1, , ,61 8 5, , , , , , , , , , ,0232 Πίνακας 9: Συνθήκες λειτουργίας για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C Από τον παραπάνω πίνακα παρατηρούμε επιπλέον ότι μειώνεται ελαφρώς ο όγκος εμβολισμού (swept volume) του στροβίλου -σημείο 8- όπως επίσης και το volume ratio αυτού, επιτρέποντας την λειτουργία του στροβίλου όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο λειτουργίας του και σαν συνέπεια αυτού την καλύτερη απόδοση του στροβίλου. Επιπρόσθετα, για λόγους που θα αναλυθούν στο σχετικό κεφάλαιο οι συγκεκριμένες συνθήκες είναι πιο κατάλληλες ώστε ο στρόβιλος να λειτουργεί στα 1500 rpm που θέλουμε. Παρόλα αυτά, στην παρούσα εργασία δεν θα αφομοιωθεί η εν λόγω τροποποίηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του λέβητα καθότι παρουσιάζει δυσκολίες τόσο στην μελέτη των εναλλακτών θερμότητας καθότι δεν υπάρχουν ακριβή θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά για τα θερμικά έλαια όσο και στις τροποποιήσεις που πρέπει να υποστεί ο λέβητας. Κάποια συμπληρωματικά θερμοδυναμικά στοιχεία για την τροποποίηση στη διάταξη παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: 36

52 Θερμοκρασία T ( o C) Περιγραφή Σύμβολο Τιμή Παροχή μάζας στο κύκλωμα 0,4012 ORC Παροχή μάζας στο κύκλωμα VCC 0,0305 Ισχύς αντλίας 1,4560 Ισχύς στροβίλου 4,6223 Ονομαστική ισχύς 3,8504 γεννήτριας Θερμικός βαθμός απόδοσης 85,45 εγκατάστασης Ολικός βαθμός απόδοσης 91,29 εγκατάστασης Πίνακας 10: Πρόσθετα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά για την τροποποίηση στη διάταξη Για καλύτερη επισκόπηση της τροποποίησης του κύκλου ακολουθούν τα διαγράμματα T-h, T-s που περιγράφουν τις άνωθεν μεταβολές, τα οποία έχουν την μορφή που φαίνεται παρακάτω: 120 T - h = =7 3=5=5a ενθαλπία h (kj/kg) Εικόνα 40: Ο υπερκρίσιμος κύκλος για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C σε διάγραμμα T-h 37

53 Θερμοκρασία T ( o C) 120 T - s = =7 3=5=5a εντροπία s (kj/kgk) Εικόνα 41: Ο υπερκρίσιμος κύκλος για το R1234yf με μέγιστη θερμοκρασία κύκλου τους 110 C σε διάγραμμα T-s 38

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Σκελετός εγκατάστασης 3.1 Στοιχεία σκελετού Ο σκελετός της εγκατάστασης της οποίας η βελτιστοποίηση έγινε στο προηγούμενο κεφάλαιο θα σχεδιασθεί και κατασκευαστεί με χρήση των προφίλ της εταιρείας itemhellas. Δεδομένου ότι η εγκατάσταση θα περιλαμβάνει βαρέα στοιχεία όπως ο λέβητας πελλετών και η αντλία με τον συνδεδεμένο σε αυτήν ηλεκτροκινητήρα ώστε να λειτουργεί, καταλήξαμε στα βαρέως φορτίου προφίλ 12 της κατασκευάστριας εταιρείας διατομής 120x120 [14], που σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά αυτών μία δοκός εξ αυτών δύναται να αντέξει φορτίο περί τον ένα τόνο. Εικόνα 42: Διατομή προφίλ 12 Για τη σύνδεση μεταξύ των δοκών θα χρησιμοποιηθούν τα «standard» μέσα σύνδεσης των προφίλ 12 [15], που εξασφαλίζουν στιβαρές κατασκευές. Δεδομένου ότι η τομή των προφίλ που εξελέγησαν είναι αυτή που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, θα χρησιμοποιηθούν τέσσερα συνδετικά μέσα αυτού του τύπου ανά σύνδεση δοκών. Εικόνα 43: "Standard" μέσα σύνδεσης των προφίλ 12 Η σύσφιξη των συγκεκριμένων κοχλιών πάνω στις δοκούς θα γίνεται με βίδωμα των κοχλιών μέσω βοηθητικών οπών στις δοκούς κάτι που θα είναι πιο εμφανές στο σχέδιο που θα παρουσιαστεί παρακάτω. 39

55 Εικόνα 44: Τρόπος σύνδεσης των προφίλ Για να είναι εφικτή η μετακίνηση της εγκατάστασης θα χρησιμοποιηθούν τέσσερεις σταθεροί τροχοί βαρέως φορτίου [16], ενώ για είναι πιο ομαλή η παραλαβή των φορτίων από αυτούς και ως εκ τούτου να είναι πιο περιορισμένη η καταπόνηση αυτών μεταξύ αυτών και των δοκών θα τοποθετηθούν από μία βάση [17] για κάθε τροχό που θα συνδέεται μέσω διαφορετικών κοχλιώσεων με τους τροχούς και τις δοκούς του σκελετού. Εικόνα 45: Σύνδεση τροχών βαρέως φορτίου με κυρίως σκελετό Για την πρόσδεση των επιμέρους στοιχείων της εγκατάστασης στο σκελετό χρησιμοποιούνται μεταλλικά φύλλα πάχους 10mm και κατάλληλου μήκους και πλάτους, τα οποία συνδέονται με τα στοιχεία μέσω κοχλιώσεων, όπως θα φαίνεται καλύτερα στο τελικό σχέδιο της εγκατάστασης. Τα μεταλλικά φύλλα προσδένονται και στο σκελετό μέσω κοχλίωσης και με τη βοήθεια ειδικών εξαρτημάτων - T-slot nuts - τα οποία τοποθετούνται εντός της εγκοπής του προφίλ και φέρουν οπή με εσωτερική κοχλίωση, στην οποία προσδένεται το μεταλλικό φύλλο μέσω κοχλία M12x20. Εικόνα 46: (αριστερά): Η εφαρμογή ενός T-slot nut σε ένα προφίλ 12 (δεξιά): βασικές διαστάσεις ενός T-slot nut 40

56 Εικόνα 47: Κοχλίας M12x20 που θα χρησιμοποιηθεί με τα άνωθεν T-slot nuts Συγκεντρωτικά τα στοιχεία που απαιτούνται για την κατασκευή του σκελετού της εγκατάστασης είναι τα εξής: α/α Περιγραφή Πλήθος 1 Δοκός προφίλ 12 διατομής 120x120 μήκους Δοκός προφίλ 12 διατομής 120x120 μήκους Δοκός προφίλ 12 διατομής 120x120 μήκους Δοκός προφίλ 12 διατομής 120x120 μήκους Δοκός προφίλ 12 διατομής 120x120 μήκους Castor adapter plate 12 M10 105x Castor D125 fixed, heavy-duty 4 8 Hexagon Socket Head Cap screw DIN912 M10x20, bright zincplated 16 9 T-slot Nut 12 M10, bright zinc-plated T-slot Nut 12 M12,heavy duty, bright zinc-plated Button Head Screw M12x25, bright zinc-plated Standard Fastening Set 12, bright zinc-plated Button Head Screw M12x20, bright zinc-plated 20 Πίνακας 11: Λίστα παραγγελίας στοιχείων σκελετού Τα σχέδια του σκελετού όπως και όλα τα υπόλοιπα σχέδια της παρούσας εργασίας, που θα ακολουθήσουν, παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α στο τέλος της εργασίας κάτω από τη σχετική υποενότητα. Σημειώνεται ότι έχοντας σαν δεδομένο ότι οι διαστάσεις των βάσεων κάθε στοιχείου είναι άμεση συνάρτηση του εκάστοτε στοιχείου και των διαστάσεων αυτού, παρότι στον άνωθεν πίνακα προσμετρώνται οι σχετικοί κοχλίες και τα περικόχλια για την πρόσδεση των βάσεων στο σκελετό, οι βάσεις δεν αναφέρονται καθώς στο αρχικό σχέδιο του σκελετού έχει γίνει μία εκτίμηση μόνο των διαστάσεων των βάσεων, ενώ οι πραγματικές διαστάσεις των βάσεών τους παρουσιάζονται για κάθε στοιχείο ξεχωριστά στο αντίστοιχο κεφάλαιο του εκάστοτε στοιχείου, οπότε και διορθώνεται στο συγκεντρωτικό σχέδιο της εγκατάστασης, ώστε να οδηγηθούμε στο τελικό ακριβές σχέδιο. 41

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Διαστασιολόγηση εναλλακτών θερμότητας 4.1 Εισαγωγή Ο εναλλάκτης θερμότητας είναι μια συσκευή η οποία διαρρέεται από δύο ρευστά διαφορετικής θερμοκρασίας και διευκολύνει τη μεταφορά θερμότητας από το θερμότερο ρευστό προς το ψυχρότερο. [18] Η μεταφορά θερμότητας στους εναλλάκτες πραγματοποιείται μέσω της διαχωριστικής επιφάνειας: ανάμεσα στη διαχωριστική επιφάνεια και τα ρευστά έχουμε μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής και δια μέσου της διαχωριστικής επιφάνειας η μεταφορά θερμότητας γίνεται με αγωγή. Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής, οι εναλλάκτες διαχωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες: τους εναλλάκτες ομορροής (co-current heat exchangers), τους εναλλάκτες αντιρροής (countercurrent heat exchangers) και τους εναλλάκτες σταυρορροής (cross-flow heat exchangers). Άλλοι τρόποι κατηγοριοποίησης των εναλλακτών είναι ο αριθμός των διαδρομών των ρευμάτων εντός του εναλλάκτη, η λειτουργία του εναλλάκτη, ο τρόπος κατασκευής και η γεωμετρία του κλπ. Η πιο διαδεδομένη κατηγορία εναλλακτών, βάσει της κατασκευής και της γεωμετρίας τους, είναι οι εναλλάκτες κελύφους-αυλών (shell and tube heat exchangers), οι οποίοι αποτελούνται από αυλούς κυλινδρικής διατομής ενσωματωμένους σε κυλινδρικό κέλυφος με τους άξονες του κελύφους και των αυλών να είναι παράλληλοι μεταξύ τους. Οι διαφοροποιήσεις που υπάρχουν ανάμεσα στους διάφορους εναλλάκτες αυτού του τύπου έγκεινται κυρίως στον διαφορετικό τρόπο κατασκευής και στις τροποποιήσεις που έχουν υποστεί για να διαχειριστούν τη διαφορετική θερμική διαστολή που υφίστανται οι αυλοί και το κέλυφος. [19] Η δεύτερη πιο διαδεδομένη κατηγορία εναλλακτών είναι οι πλακοειδείς εναλλάκτες (plate heat exchangers). Ένας πλακοειδής εναλλάκτης συνίσταται σε ένα σύνολο από πλάκες με ραβδώσεις -για καλύτερη μεταφορά θερμότητας- που είναι συνενωμένες, καθεμία εκ των οποίων διαθέτει τέσσερα στόμια για την επικοινωνία μεταξύ των πλακών, τα οποία είναι στεγανωμένα με φλάντζες ώστε να εξασφαλίζεται η κυκλοφορία των ρευστών ανάμεσα στις πλάκες κατά τον τρόπο που προβλέπεται να λειτουργεί ο εκάστοτε εναλλάκτης. [20] Η περιφέρεια των πλακών στεγανώνεται είτε με φλάντζες είτε με συγκόλληση, με αποτέλεσμα οι συγκεκριμένοι εναλλάκτες να λειτουργούν σε μικρότερες πιέσεις από τους εναλλάκτες κελύφους-αυλών. Ενδεικτικά, παρουσιάζεται το διάγραμμα που ακολουθεί για να καταστήσει πιο σαφές το εύρος λειτουργίας των δύο ειδών εναλλακτών. Από την άλλη πλευρά, το μεγάλο πλεονέκτημα των πλακοειδών εναλλακτών είναι ότι έχουν αισθητά μεγαλύτερο συντελεστή μεταφορά θερμότητας από τους εναλλάκτες κελύφους-αυλών, με αποτέλεσμα να απαιτούν πολύ μικρότερο χώρο για να επιτύχουν την ίδια μεταφορά θερμότητας με τους ογκώδεις εναλλάκτες κελύφους-αυλών. 42

58 Εικόνα 48: Εύρος λειτουργίας διαφόρων τύπων εναλλακτών Όπως έχει ήδη αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο, για την λειτουργία της εγκατάστασης απαιτούνται τρεις εναλλάκτες θερμότητας: 1. Ένας ατμοποιητής 2. Ένας συμπυκνωτής 3. Και ένας εναλλάκτης θερμότητας που θα μετατρέπει το οργανικό μέσο από υπόψυκτο υγρό σε υπερκρίσιμο υγρό Για την εξοικονόμηση χώρου και εφόσον το επέτρεπαν οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας της εγκατάστασης αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν τρεις πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας της εταιρείας Alfa laval και συγκεκριμένα της κατηγορίας συγκολλητών πλακοειδών εναλλακτών CB. Το γεγονός ότι δεν υπάρχει επαρκής βιβλιογραφία για τα μοντέλα που προσομοιάζουν καλύτερα τη μεταφορά θερμότητας στους πλακοειδής εναλλάκτες αποτέλεσε τροχοπέδη στην πλήρη προσομοίωση των εναλλακτών θερμότητας και η εκλογή τους έγινε σε άμεση επικοινωνία και συνεννόηση με τους υπεύθυνους της κατασκευάστριας εταιρείας. Τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκάστοτε λειτουργία προσδιορίστηκαν βάσει και των δεδομένων που υπήρχαν από προηγούμενη αγορά που έγινε από το Εργαστήριο από την εν λόγω εταιρεία. Η επιβεβαίωση ότι εκλέχτηκαν τα σωστά μοντέλα καθώς και ο προσδιορισμός του ακριβή αριθμού πλακών και κατ επέκταση των συνολικών διαστάσεων του ατμοποιητή και του συμπυκνωτή έγινε με τη χρήση μοντέλων προσομοίωσης που αναλύονται παρακάτω. Εικόνα 49: Επίπεδος πλακοειδής εναλλάκτης θερμότητας της εταιρείας Alfa laval 43

59 Θερμοκρασία ( o C) 4.2 Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών ατμοποιητή μέσω μοντέλου προσομοίωσης Ο ατμοποιητής που πρέπει να σχεδιασθεί και κατόπιν να αγοραστεί για την εν λόγω εγκατάσταση θα μεταφέρει θερμότητα από νερό του δικτύου σε ρεύμα του οργανικού μέσου της εγκατάστασης συνολικής ισχύος περί τα 4 kw. Αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των δύο ρευμάτων όπως αυτά προέκυψαν από τους θερμοδυναμικούς υπολογισμούς είναι τα εξής: Θερμό ρεύμα Ψυχρό ρεύμα Ρευστό νερό R1234yf Θερμ. εισόδου ( C) 20 7,5 Θερμ. εξόδου ( C) 17,5 7,5 Πίεση (bar) 1 4,04 Παροχή (kg/s) 0,29 0,03 Παροχή όγκου 1,03 1,92 εισόδου (m³/h) Παροχή όγκου εξόδου (m³/h) 1,03 4,90 Πίνακας 12: Στοιχεία δύο ρευμάτων ατμοποιητή Composite Curve του ατμοποιητή θερμό ρεύμα ψυχρό ρεύμα Θερμικό Φορτίο (kw) Εικόνα 50: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του ατμοποιητή Για τη διαστασιολόγηση του ατμοποιητή κατασκευάστηκε μία συνάρτηση η οποία έχει σαν δεδομένα εισόδου τα υγρά του ψυχρού (δείκτης c στους τύπους) και του θερμού ρεύματος (δείκτης h στους τύπους), τις παροχές των δύο ρευμάτων και αντίστοιχα σε, τις 44

60 πιέσεις των δύο ρευμάτων σε και σε, την ενθαλπία εισόδου και εξόδου του ψυχρού ρεύματος και την ενθαλπία εισόδου του θερμού ρεύματος σε, των αρχικά υποτιθέμενο αριθμό πλακών που θα αποτελούν τον εναλλάκτη, των αριθμό των διαμερίσεων iter του εναλλάκτη για καλύτερο υπολογισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και τέλος μιας βοηθητικής μεταβλητής k κάθε τιμή της οποίας αντιστοιχεί σε κάποια μοντέλα πλακοειδών εναλλακτών της Alfa laval, που όπως ήδη έχει αναφερθεί θα είναι η κατασκευάστρια εταιρεία των εναλλακτών που θα χρησιμοποιηθούν, - ταξινομημένα από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο σε διαστάσεις- και δίδει τις αντίστοιχες βασικές τους διαστάσεις. Η διαδικασία των υπολογισμών που γίνονται σε αυτή την συνάρτηση έχει ως εξής: Για την τιμή k που δίδουμε (η οποία αυξάνεται στα πλαίσια ενός βρόχου που τρέχει την εν λόγω συνάρτηση ώστε να βρούμε τον μικρότερο εναλλάκτη που μπορεί να υλοποιήσει την συναλλαγή θερμότητας που επιθυμούμε) λαμβάνουμε την κατακόρυφη και την οριζόντια απόσταση ανάμεσα στα κέντρα των στομίων εισόδου/εξόδου των ρευστών και αντίστοιχα σε. Στην περίπτωση του ατμοποιητή δοκιμάζουμε τρία διαφορετικά μοντέλα εναλλακτών. Τους CB 30 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150), CB 60 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150) και CB 62 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150). Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά των πλακών λαμβάνονται όπως ορίζεται κατά περίπτωση παρακάτω. [21] Δεδομένα: εναλλάκτης μίας διαδρομής: πάχος πλάκας: γωνία αυλακώσεων πλάκας: συντελεστής μεγέθυνσης: συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού πλάκας (SS316): πλάτος που καταλαμβάνει πλάκα(μαζί με το διάκενο): διάκενο μεταξύ πλακών: διάμετρος στομίων εισόδου: βήμα αυλάκωσης: πλάτος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: ύψος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: επιφάνεια ροής ρευστού ανά αυλάκωση: επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα: Εικόνα 51: Βασικές διαστάσεις μίας πλάκας του εναλλάκτη επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα λαμβάνοντας υπόψη τις αυλακώσεις: 45

61 υδραυλική διάμετρος: αριθμός καναλιών ανά ρεύμα: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι και ανά : Για τον υπολογισμό του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη θεωρούμε ότι δεν έχουμε πτώση πίεσης. Αρχικά υπολογίζεται το βήμα της αύξησης της ξηρότητας του κρύου ρεύματος βάσει του οποίου θα γίνει ο διαμερισμός του εναλλάκτη σε τόσα πεπερασμένα στοιχεία όσα και ο αριθμός iter που έχουμε δώσει σαν είσοδο στη συνάρτηση. [22] Κατά αυτόν τον τρόπο, σε κάθε διαμέριση θα γίνει ισόποση αύξηση της ξηρότητας, η δε ενθαλπία εισόδου και εξόδου του ψυχρού ρεύματος θα υπολογίζεται από την ξηρότητα του εκάστοτε σημείου με τη βοήθεια του προγράμματος CΟOLPROP. Για να ξεκινήσουμε χρειαζόμαστε και την ενθαλπία εξόδου του θερμού ρεύματος καθώς το πεπερασμένο στοιχείο που αντιστοιχεί στην είσοδο του ψυχρού ρεύματος ταυτίζεται με την έξοδο του θερμού δεδομένου ότι μιλάμε για εναλλάκτη αντιρροής. (βλ. κάτωθεν σχήμα) Εικόνα 52: Σχηματική απεικόνιση της διαμέρισης και των μεταβολών που λαμβάνουν χώρα σε κάθε τμήμα Από ισολογισμό ενέργειας στο σύνολο του εναλλάκτη έχουμε: Πλέον είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε το βρόχο που θα υπολογίζει τον ολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη και κατ επέκταση την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής και άρα και τις διαστάσεις και τον αριθμό των πλακών του εναλλάκτη. Η διαδικασία που ακολουθείται για καθένα από iter τμήματα είναι η εξής: 46

62 Όπως έχει αναφερθεί, η αύξηση της ξηρότητας του ψυχρού ρεύματος που λαμβάνει χώρα σε κάθε τμήμα m είναι ίση με, συνεπώς η ενθαλπία εξόδου του ψυχρού ρεύματος από το κάθε τμήμα προκύπτει ως συνάρτηση της ξηρότητας και της θερμοκρασίας: Από την άλλη πλευρά, η ενθαλπία εισόδου του θερμού ρεύματος στο τμήμα m προκύπτει από ενεργειακό ισολογισμό στο εν λόγω τμήμα: Έχοντας υπολογίσει όλες τις ενθαλπίες εξόδου και εισόδου των δύο ρευμάτων είμαστε σε θέση με χρήση του λογισμικού COOLPROP να προσδιορίσουμε τις θερμοκρασίες που αντιστοιχούν σε αυτές τις ενθαλπίες για τις δεδομένες πιέσεις. Χρησιμοποιώντας αυτές τις θερμοκρασίες υπολογίζουμε τη μέση λογαριθμική θερμοκρασία: Αφού υπολογίσουμε την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα, υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: Ακολούθως για να προσδιοριστεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος (μονοφασική ροή) υπολογίζονται κατά σειρά: αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl: Σύμφωνα με τον Martin (1996) [24] ο συντελεστής τριβής ξ του Darcy υπολογίζεται για τους πλακοειδείς εναλλάκτες ως εξής: Όπου 47

63 Και Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [24] ο αριθμός Nusselt ισούται με: Όπου η δυναμική συνεκτικότητα που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία Οπότε, τελικά προσδιορίζεται ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Κατ αντιστοιχία υπολογίζουμε και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ψυχρού ρεύματος, ωστόσο οι τύποι διαφοροποιούνται καθότι πρόκειται διφασική ροή: Πριν τον υπολογισμό του αριθμού Reynolds πρέπει να υπολογισθεί σε κάθε διαμέριση η ισοδύναμη παροχή μάζας: Όπου x η ξηρότητα εξόδου από το πεπερασμένο στοιχείο, η πυκνότητα του κορεσμένου υγρού στην δεδομένη πίεση και η πυκνότητα του κορεσμένου αερίου στην ίδια πίεση. Πλέον, μπορούν να προσδιορισθούν οι αριθμοί Reynolds και Prandtl για το ψυχρό ρεύμα: αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl: Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [24] ο αριθμός Nusselt για διφασική ροή ισούται με: Όπου οι συντελεστές 48

64 Ο δε ισοδύναμος αριθμός ατμοποίησης είναι ίσος με: Όπου είναι η ενθαλπία ατμοποίησης για το πεπερασμένο στοιχείο m. Τελικά ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Οπότε ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: Το θερμικό κέρδος που συντελείται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο είναι ίσο με: Συνεπώς η απαιτούμενη στοιχειώδης επιφάνεια είναι ίση με: Τέλος, για να περάσουμε στο επόμενο πεπερασμένο στοιχείο θα ισχύουν οι σχέσεις: Αφού ολοκληρωθεί ο βρόχος η συνολική απαιτούμενη επιφάνεια του εναλλάκτη είναι ίση με το άθροισμα των στοιχειωδών επιφανειών: Για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης υπολογίζουμε για το σύνολο του εναλλάκτη την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα και κατόπιν υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: 49

65 Με βάση αυτές τις θερμοκρασίες μπορούμε να προσδιορίσουμε για το θερμό ρεύμα τα εξής: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Τελικά η πτώση πίεσης στο θερμό ρεύμα είναι ίση με: Όπου η πυκνότητα του ρευστού. Το δε ξ υπολογίζεται με τον τύπο που αναφέρθηκε και προηγουμένως για το θερμό ρεύμα. Κατ αντιστοιχία για το ψυχρό ρεύμα: ισοδύναμη παροχή μάζας: αριθμός Reynolds: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Έτσι, ο συντελεστής τριβής για διφασική ροή προκύπτει: Όπου οι συντελεστές και λαμβάνονται από τις σχέσεις: Τελικά η πτώση πίεσης στο ψυχρό ρεύμα είναι ίση με: Με βάση την συνάρτηση που περιγράφηκε ακριβώς παραπάνω, κάθε εναλλάκτης από τους τρεις ξεκινώντας από τον μικρότερο ελέγχεται μέσω ενός βρόχου κατά πόσο μπορεί να υλοποιήσει τη ζητούμενη μεταφορά θερμότητας με τον ελάχιστο δυνατό αριθμό πλακών. Ο βρόχος σταματάει μόλις βρεθεί ένας αριθμός πλακών που να παρέχει την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας για να καλύψει τις ανάγκες της εγκατάστασης και παράλληλα να ικανοποιεί τη συνθήκη της πτώσης πίεσης, η οποία έχει τεθεί να μην υπερβαίνει τα 20 Pa για το ψυχρό ρεύμα και τα 5 Pa για το θερμό ρεύμα -δεχόμαστε μεγαλύτερη πτώση πίεσης στο ψυχρό ρεύμα γιατί έτσι κι αλλιώς λόγω της αλλαγής φάσης παρατηρούνται μεγαλύτερες πτώσεις πίεσης σε σχέση με τις μονοφασικές ροές-. Ο κώδικας 50

66 που υλοποιεί την διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω αναπτύχθηκε στο περιβάλλον της Matlab και παρουσιάζεται στο Παράρτημα Β της παρούσας εργασίας και στην σχετική υποενότητα. 4.3 Αποτελέσματα ατμοποιητή Εκτελώντας το πρόγραμμα που αναλύθηκε στην προηγούμενη υποενότητα προέκυψε ότι ο ζητούμενος εναλλάκτης είναι το μοντέλο CB 30 με 30 πλάκες [26]. Κατά αυτό τον τρόπο είμαστε πλέον σε θέση να κατασκευάσουμε το σχέδιο αυτού και κατ επέκταση να τον τοποθετήσουμε στο συγκεντρωτικό σχέδιο της εγκατάστασης. Τα συγκεκριμένα σχέδια όπως και όλα τα υπόλοιπα σχέδια της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α στο τέλος της εργασίας κάτω από τη σχετική υποενότητα. 4.4 Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών συμπυκνωτή μέσω μοντέλου προσομοίωσης Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την ακριβή διαστασιολόγηση του συμπυκνωτή ήταν παρεμφερής με αυτή που αναλύθηκε προηγουμένως για τον ατμοποιητή, οπότε τα κοινά σημεία θα περιγραφούν συνοπτικά. Ο συμπυκνωτής που πρέπει να σχεδιασθεί και κατόπιν να αγοραστεί για την εν λόγω εγκατάσταση θα μεταφέρει θερμότητα από νερό το οργανικό μέσο σε νερό του δικτύου συνολικής ισχύος περί τα 62 kw. Αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των δύο ρευμάτων όπως αυτά προέκυψαν από τους θερμοδυναμικούς υπολογισμούς είναι τα εξής: Θερμό ρεύμα Ψυχρό ρεύμα Ρευστό R1234yf νερό Θερμ. εισόδου ( C) 53,96 20 Θερμ. εξόδου ( C) Πίεση (bar) 13,02 1 Παροχή (kg/s) 0,48 0,73 Παροχή όγκου 23,58 2,63 εισόδου (m³/h) Παροχή όγκου εξόδου (m³/h) 1,74 2,65 Πίνακας 13: Στοιχεία δύο ρευμάτων συμπυκνωτή 51

67 Θερμοκρασία ( o C) Composite Curve του Συμπυκνωτή 55 θερμό ρεύμα ψυχρό ρεύμα Θερμικό φορτίο (kw) Εικόνα 53: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του συμπυκνωτή Για τη διαστασιολόγηση του συμπυκνωτή, σε πλήρη αντιστοιχία με τον ατμοποιητή, κατασκευάστηκε μία συνάρτηση η οποία έχει σαν δεδομένα εισόδου τα υγρά του ψυχρού (δείκτης c στους τύπους) και του θερμού ρεύματος (δείκτης h στους τύπους), τις παροχές των δύο ρευμάτων και αντίστοιχα σε, τις πιέσεις των δύο ρευμάτων σε και σε, την ενθαλπία εισόδου και εξόδου του ψυχρού ρεύματος και την ενθαλπία εισόδου του θερμού ρεύματος σε, των αρχικά υποτιθέμενο αριθμό πλακών που θα αποτελούν τον εναλλάκτη, των αριθμό των διαμερίσεων iter του εναλλάκτη για καλύτερο υπολογισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και τέλος μιας βοηθητικής μεταβλητής k κάθε τιμή της οποίας αντιστοιχεί σε κάποια μοντέλα πλακοειδών εναλλακτών της Alfa laval, που όπως ήδη έχει αναφερθεί θα είναι η κατασκευάστρια εταιρεία των εναλλακτών που θα χρησιμοποιηθούν, -ταξινομημένα από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο σε διαστάσεις- και δίδει τις αντίστοιχες βασικές τους διαστάσεις. Η διαδικασία των υπολογισμών που γίνονται σε αυτή την συνάρτηση έχει ως εξής: Για την τιμή k που δίδουμε (η οποία αυξάνεται στα πλαίσια ενός βρόχου που τρέχει την εν λόγω συνάρτηση ώστε να βρούμε τον μικρότερο εναλλάκτη που μπορεί να υλοποιήσει την συναλλαγή θερμότητας που επιθυμούμε) λαμβάνουμε την κατακόρυφη και την οριζόντια απόσταση ανάμεσα στα κέντρα των στομίων εισόδου/εξόδου των ρευστών και αντίστοιχα σε. Στην περίπτωση του ατμοποιητή δοκιμάζουμε τρία διαφορετικά μοντέλα εναλλακτών. Τους CB 30 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150), CB 60 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150) και CB 62 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150). 52

68 Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά των πλακών λαμβάνονται όπως ορίζεται κατά περίπτωση παρακάτω. [21] Δεδομένα: εναλλάκτης μίας διαδρομής: πάχος πλάκας: γωνία αυλακώσεων πλάκας: συντελεστής μεγέθυνσης: συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού πλάκας (SS316): πλάτος που καταλαμβάνει πλάκα(μαζί με το διάκενο): διάκενο μεταξύ πλακών: διάμετρος στομίων εισόδου: βήμα αυλάκωσης: πλάτος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: ύψος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: επιφάνεια ροής ρευστού ανά αυλάκωση: επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα: επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα λαμβάνοντας υπόψη τις αυλακώσεις: υδραυλική διάμετρος: αριθμός καναλιών ανά ρεύμα: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι και ανά : Από ισολογισμό ενέργειας στο σύνολο του εναλλάκτη έχουμε: Συνήθως στην περίπτωση των συμπυκνωτών, όπως και στην περίπτωση που μελετάται, το θερμό ρεύμα δεν εισέρχεται κορεσμένο στον εναλλάκτη αλλά μεσολαβεί ένα τμήμα μεταφοράς θερμότητας που φέρει το οργανικό μέσο από κατάσταση υπέρθερμου αερίου σε κατάσταση κορεσμού και κατόπιν ακολουθεί η συμπύκνωση. Ως εκ τούτου, για τον σωστό και ακριβή υπολογισμό της απαιτούμενης επιφάνειας συναλλαγής θερμότητας πρέπει να ληφθεί υπόψη και το τμήμα που απαιτείται για την συγκεκριμένη λειτουργία. Στο τμήμα αυτό, και οι δύο ροές είναι μονοφασικές οπότε θα χρησιμοποιηθούν οι τύποι που παρουσιάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στην περίπτωση του θερμού ρεύματος του ατμοποιητή. Η είσοδος του θερμού ρεύματος στο τμήμα αυτό ταυτίζεται με την είσοδο του θερμού ρεύματος γενικά στον εναλλάκτη, όπως αντίστοιχα, η έξοδος του ψυχρού ρεύματος από το εν λόγω τμήμα ταυτίζεται με την έξοδο του από τον εναλλάκτη. Η ενθαλπία εξόδου του θερμού ρεύματος από αυτό το τμήμα, είναι ίση με την ενθαλπία κορεσμένου αερίου στη συγκεκριμένη πίεση. Έχοντας τις ενθαλπίες εισόδου και εξόδου του θερμού ρεύματος και την ενθαλπία εξόδου του ψυχρού, εύκολα μέσω ενός ισολογισμού ενέργειας προσδιορίζεται και η ενθαλπία εισόδου του ψυχρού ρεύματος στο συγκεκριμένο τμήμα. 53

69 Με τη βοήθεια των ενθαλπιών και των πιέσεων που επικρατούν στα δύο ρεύματα προσδιορίζονται μέσω του προγράμματος COOLPROP οι θερμοκρασίες στις εισόδους και εξόδους των ρευμάτων και κατ επέκταση η μέση λογαριθμική θερμοκρασία για αυτό το τμήμα του εναλλάκτη, όπως επίσης και οι μέσες θερμοκρασίες που επικρατούν σε κάθε ρεύμα κατά τις διαδικασίες που περιγράφηκαν και στην περίπτωση του ατμοποιητή και χάρη συντομίας παραλείπονται εδώ,: Πλέον μπορούν να υπολογιστούν για κάθε ρεύμα οι αριθμοί Reynolds και Prandtl κατά τα γνωστά: αριθμός Reynolds: και αριθμός Prandtl: και Σύμφωνα με τον Martin (1996) [24] ο συντελεστής τριβής ξ του Darcy υπολογίζεται για τους πλακοειδείς εναλλάκτες ως εξής: Όπου Και Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [11] ο αριθμός Nusselt ισούται με: 54

70 Τελικά οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή για τα δύο ρεύματα είναι ίσοι με: και Οπότε ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: Το θερμικό κέρδος που συντελείται στο συγκεκριμένο τμήμα είναι ίσο με: Συνεπώς η απαιτούμενη στοιχειώδης επιφάνεια για την μετατροπή του οργανικού μέσου σε κορεσμένο αέριο, ώστε κατόπιν να αρχίσει η συμπύκνωση, είναι ίση με: Ακολούθως, ξεκινούν οι υπολογισμοί για το τμήμα που πραγματοποιείται η συμπύκνωση του οργανικού μέσου. Για τον υπολογισμό του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη θεωρούμε ότι δεν έχουμε πτώση πίεσης. Αρχικά υπολογίζεται το βήμα της μείωσης της ξηρότητας του θερμού ρεύματος βάσει του οποίου θα γίνει ο διαμερισμός του εναλλάκτη σε τόσα πεπερασμένα στοιχεία όσα και ο αριθμός iter που έχουμε δώσει σαν είσοδο στη συνάρτηση. Κατά αυτόν τον τρόπο, σε κάθε διαμέριση θα γίνει ισόποση μείωση της ξηρότητας, η δε ενθαλπία εισόδου και εξόδου του θερμού ρεύματος θα υπολογίζεται από την ξηρότητα του εκάστοτε σημείου με τη βοήθεια του προγράμματος CΟOLPROP. Όπως έχει αναφερθεί, η μείωση της ξηρότητας του θερμού ρεύματος που λαμβάνει χώρα σε κάθε τμήμα m είναι ίση με, συνεπώς η ενθαλπία εξόδου του θερμού ρεύματος από το κάθε τμήμα προκύπτει ως συνάρτηση της ξηρότητας και της πίεσης: Για να ξεκινήσουμε χρειαζόμαστε και την ενθαλπία εισόδου του ψυχρού ρεύματος σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο καθώς προχωράμε προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που αυξάνεται η ενθαλπία του ψυχρού ρεύματος δεδομένου ότι μιλάμε για εναλλάκτη αντιρροής. Η ενθαλπία εισόδου του ψυχρού ρεύματος υπολογίζεται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο μέσω ισολογισμού ενέργειας δεδομένου ότι οι υπόλοιπες τρεις ενθαλπίες είναι γνωστές: 55

71 Πλέον είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε το βρόχο που θα υπολογίζει τον ολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη και κατ επέκταση την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής και άρα και τις διαστάσεις και τον αριθμό των πλακών του εναλλάκτη. Η διαδικασία που ακολουθείται για καθένα από τα iter τμήματα είναι η εξής: Έχοντας υπολογίσει όλες τις ενθαλπίες εξόδου και εισόδου των δύο ρευμάτων είμαστε σε θέση με χρήση του λογισμικού COOLPROP να προσδιορίσουμε τις θερμοκρασίες που αντιστοιχούν σε αυτές τις ενθαλπίες για τις δεδομένες πιέσεις. Χρησιμοποιώντας αυτές τις θερμοκρασίες υπολογίζουμε τη μέση λογαριθμική θερμοκρασία: Αφού υπολογίσουμε την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα, υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: Πριν τον υπολογισμό του αριθμού Reynolds πρέπει να υπολογισθεί σε κάθε διαμέριση η ισοδύναμη παροχή μάζας: Όπου x η ξηρότητα εξόδου από το πεπερασμένο στοιχείο, υγρού στην δεδομένη πίεση και η πυκνότητα του κορεσμένου η πυκνότητα του κορεσμένου αερίου στην ίδια πίεση. Ακολούθως για να προσδιοριστεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος (μονοφασική ροή) υπολογίζονται κατά σειρά: ισοδύναμος αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl (κορεσμένου υγρού): Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [24] για ρεύμα στο οποίο πραγματοποιείται συμπύκνωση ο αριθμός Nusselt ισούται με: Όπου 56

72 Οπότε, τελικά προσδιορίζεται ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Κατ αντιστοιχία υπολογίζουμε και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ψυχρού ρεύματος, με χρήση των τύπων που αντιστοιχούν σε μονοφασική ροή. Αρχικά, πρέπει να προσδιορισθούν οι αριθμοί Reynolds και Prandtl για το ψυχρό ρεύμα: αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl: Σύμφωνα με τον Martin (1996) [24] ο συντελεστής τριβής ξ του Darcy υπολογίζεται για τους πλακοειδείς εναλλάκτες ως εξής: Όπου Και Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [11] ο αριθμός Nusselt ισούται με: Όπου η δυναμική συνεκτικότητα που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία. 57

73 Τελικά ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Οπότε ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: Το θερμικό κέρδος που συντελείται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο είναι ίσο με: Συνεπώς η απαιτούμενη στοιχειώδης επιφάνεια είναι ίση με: Τέλος, για να περάσουμε στο επόμενο πεπερασμένο στοιχείο θα ισχύουν οι σχέσεις: Αφού ολοκληρωθεί ο βρόχος η συνολική απαιτούμενη επιφάνεια του εναλλάκτη είναι ίση με το άθροισμα των στοιχειωδών επιφανειών επιπλέον αυξημένο κατά την επιφάνεια που απαιτείται για τη μετατροπή του υπέρθερμου αερίου σε κατάσταση κορεσμού πριν την συμπύκνωση: Ωστόσο, υπάρχει περίπτωση μετά την ολοκλήρωση της συμπύκνωσης να απαιτείται και κάποιο υπόψυξη του ψυχόμενου ρεύματος, που πρέπει να συνυπολογιστεί εφόσον υπάρχει. Η διαδικασία που θα ακολουθηθεί είναι πανομοιότυπη με αυτή του τμήματος για τη μετατροπή του υπέρθερμου αερίου σε κατάσταση κορεσμού καθότι και πάλι πρόκειται για μονοφασική ροή και στα δύο ρεύματα. Σημειώνεται ότι υπάρχει έλεγχος στον κώδικα ώστε αν η ζητούμενη έξοδος του θερμού ρεύματος από τον εναλλάκτη είναι κορεσμένο υγρό η διαδικασία υπολογισμού της επιφάνειας που απαιτείται για την υπόψυξη να παραλείπεται. Κατά πλήρη αντιστοιχία, λοιπόν, αφού προσδιορίσουμε ακριβώς τις ενθαλπίες εισόδου και εξόδου των δύο ρευμάτων (η ενθαλπία εισόδου του ψυχρού ρεύματος ταυτίζεται με την ενθαλπία εισόδου εν γένει στον εναλλάκτη, όπως επίσης και η ενθαλπία εξόδου του ψυχρού ρεύματος με την ενθαλπία εξόδου του θερμού ρεύματος εν γένει από τον εναλλάκτη). Με τη βοήθεια των ενθαλπιών και των πιέσεων που επικρατούν στα δύο ρεύματα προσδιορίζονται μέσω του προγράμματος COOLPROP οι θερμοκρασίες στις 58

74 εισόδους και εξόδους των ρευμάτων και κατ επέκταση η μέση λογαριθμική θερμοκρασία για αυτό το τμήμα του εναλλάκτη, όπως επίσης και οι μέσες θερμοκρασίες που επικρατούν σε κάθε ρεύμα κατά τις διαδικασίες που περιγράφηκαν και στην περίπτωση του ατμοποιητή και χάρη συντομίας παραλείπονται εδώ, -ο δείκτης συμβολίζει την υπόψυξη-: Πλέον μπορούν να υπολογιστούν για κάθε ρεύμα οι αριθμοί Reynolds και Prandtl κατά τα γνωστά: αριθμός Reynolds: και αριθμός Prandtl: και Σύμφωνα με τον Martin (1996) [24] ο συντελεστής τριβής ξ του Darcy υπολογίζεται για τους πλακοειδείς εναλλάκτες ως εξής: Όπου Και Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [11] ο αριθμός Nusselt ισούται με: 59

75 Τελικά οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή για τα δύο ρεύματα είναι ίσοι με: και Οπότε ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: Το θερμικό κέρδος που συντελείται στο συγκεκριμένο τμήμα είναι ίσο με: Συνεπώς η απαιτούμενη στοιχειώδης επιφάνεια για την μετατροπή του οργανικού μέσου σε κορεσμένο αέριο, ώστε κατόπιν να αρχίσει η συμπύκνωση, είναι ίση με: Οπότε η συνολικά απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής για τις ανάγκες που θέλουμε να καλύπτει ο εν λόγω συμπυκνωτής προκύπτει ως το άθροισμα των τριών τμημάτων, στα οποία χωρίσαμε τον συμπυκνωτή: Για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης υπολογίζουμε για το σύνολο του εναλλάκτη την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα και κατόπιν υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: Με βάση αυτές τις θερμοκρασίες μπορούμε να προσδιορίσουμε για το θερμό ρεύμα τα εξής: ισοδύναμη παροχή μάζας: αριθμός Reynolds: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Έτσι, ο συντελεστής τριβής για διφασική ροή προκύπτει: 60

76 Όπου οι συντελεστές και λαμβάνονται από τις σχέσεις: Τελικά η πτώση πίεσης στο θερμό ρεύμα είναι ίση με: Με βάση αυτές τις θερμοκρασίες μπορούμε να προσδιορίσουμε για το ψυχρό ρεύμα τα εξής: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Τελικά η πτώση πίεσης στο ψυχρό ρεύμα είναι ίση με: Όπου η πυκνότητα του ρευστού. Το δε ξ υπολογίζεται με τον τύπο που αναφέρθηκε και προηγουμένως για το θερμό ρεύμα. Με βάση την συνάρτηση που περιγράφηκε ακριβώς παραπάνω, κάθε εναλλάκτης από τους τρεις ξεκινώντας από τον μικρότερο ελέγχεται μέσω ενός βρόχου κατά πόσο μπορεί να υλοποιήσει τη ζητούμενη μεταφορά θερμότητας με τον ελάχιστο δυνατό αριθμό πλακών. Ο βρόχος σταματάει μόλις βρεθεί ένας αριθμός πλακών που να παρέχει την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας για να καλύψει τις ανάγκες της εγκατάστασης και παράλληλα να ικανοποιεί τη συνθήκη της πτώσης πίεσης, η οποία έχει τεθεί να μην υπερβαίνει τα 10 Pa για το ψυχρό ρεύμα και τα 20 Pa για το θερμό ρεύμα -δεχόμαστε μεγαλύτερη πτώση πίεσης στο θερμό ρεύμα γιατί έτσι κι αλλιώς λόγω της αλλαγής φάσης παρατηρούνται μεγαλύτερες πτώσεις πίεσης σε σχέση με τις μονοφασικές ροές-. Ο κώδικας που υλοποιεί την διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω αναπτύχθηκε στο περιβάλλον της Matlab και παρουσιάζεται στο Παράρτημα της παρούσας εργασίας και στην σχετική υποενότητα. 61

77 4.5 Αποτελέσματα συμπυκνωτή Εκτελώντας το πρόγραμμα που αναλύθηκε στην προηγούμενη υποενότητα προέκυψε ότι ο ζητούμενος εναλλάκτης είναι το μοντέλο CB 76 με 50 πλάκες [27] -με απόλυτη ακρίβεια υπολογίστηκαν 43 πλάκες, ωστόσο εκλέξαμε να τοποθετηθούν 5 επιπλέον για να είμαστε βέβαιοι ότι θα επιτυγχάνεται η ζητούμενη μεταφορά θερμότητας-. Κατά αυτό τον τρόπο είμαστε πλέον σε θέση να κατασκευάσουμε το σχέδιο αυτού και κατ επέκταση να τον τοποθετήσουμε στο συγκεντρωτικό σχέδιο της εγκατάστασης. Τα συγκεκριμένα σχέδια όπως και όλα τα υπόλοιπα σχέδια της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α στο τέλος της εργασίας κάτω από τη σχετική υποενότητα. 4.6 Διαδικασία προσδιορισμού ακριβή αριθμού πλακών εναλλάκτη που θα μεταφέρει το οργανικό μέσο στην υπερκρίσιμη κατάσταση μέσω μοντέλου προσομοίωσης Για τον τρίτο εναλλάκτη αναπτύχθηκε μία τρίτη συνάρτηση στη λογική των δύο προηγουμένων που για την ροή του οργανικού μέσου που μεταφέρεται από την υπόψυκτη κατάσταση στην υπερκρίσιμη χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό μοντέλο που προτείνουν σε σχετική τους μελέτη οι P.Forooghi και K.Hooman του πανεπιστημίου του Queensland. Ο συμπυκνωτής που πρέπει να σχεδιασθεί και κατόπιν να αγοραστεί για την εν λόγω εγκατάσταση θα μεταφέρει θερμότητα από νερό -η διαστασιολόγηση θα γίνει με βάση το νερό και όχι με θερμικό έλαιο που κανονικά θα χρησιμοποιηθεί, για αυτό το λόγο στο τέλος θα προσαυξήσουμε κατά ένα ποσοστό τον αριθμό των πλακών που προκύπτουν ώστε να διορθωθεί το σφάλμα της παραδοχής αυτής- προς το οργανικό μέσο συνολικής ισχύος περί τα 60 kw. Αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των δύο ρευμάτων όπως αυτά προέκυψαν από τους θερμοδυναμικούς υπολογισμούς είναι τα εξής: Θερμό ρεύμα Ψυχρό ρεύμα Ρευστό νερό R1234yf Θερμ. εισόδου ( C) ,91 Θερμ. εξόδου ( C) 97,5 100 Πίεση (bar) 3 36,61 Παροχή (kg/s) 1,14 0,45 Παροχή όγκου 4,31 1,61 εισόδου (m³/h) Παροχή όγκου εξόδου (m³/h) 4,26 6,08 Πίνακας 14: Στοιχεία δύο ρευμάτων "υπερκρίσιμου" εναλλάκτη 62

78 Θερμοκρασία ( o C) Composite Curve του "υπερκρίσιμου" εναλλάκτη 110 θερμό ρεύμα ψυχρό ρεύμα Θερμικό φορτίο (kw) Εικόνα 54: Γραφική παράσταση μεταβολών που λαμβάνουν χώρα εντός του "υπερκρίσιμου" εναλλάκτη Η συνάρτηση που αναπτύχθηκε για τη διαστασιολόγηση του τρίτου εναλλάκτη έχει όπως και οι προηγούμενες δύο σαν δεδομένα εισόδου τα υγρά του ψυχρού (δείκτης c στους τύπους) και του θερμού ρεύματος (δείκτης h στους τύπους), τις παροχές των δύο ρευμάτων και αντίστοιχα σε, τις πιέσεις των δύο ρευμάτων σε και σε, την ενθαλπία εισόδου και εξόδου του ψυχρού ρεύματος και την ενθαλπία εισόδου του θερμού ρεύματος σε, των αρχικά υποτιθέμενο αριθμό πλακών που θα αποτελούν τον εναλλάκτη, των αριθμό των διαμερίσεων iter του εναλλάκτη για καλύτερο υπολογισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και τέλος μιας βοηθητικής μεταβλητής k κάθε τιμή της οποίας αντιστοιχεί σε κάποια μοντέλα πλακοειδών εναλλακτών της Alfa laval, που όπως ήδη έχει αναφερθεί θα είναι η κατασκευάστρια εταιρεία των εναλλακτών που θα χρησιμοποιηθούν, -ταξινομημένα από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο σε διαστάσεις- και δίδει τις αντίστοιχες βασικές τους διαστάσεις. Η διαδικασία των υπολογισμών που γίνονται σε αυτή την συνάρτηση έχει ως εξής: Για την τιμή k που δίδουμε (η οποία αυξάνεται στα πλαίσια ενός βρόχου που τρέχει την εν λόγω συνάρτηση ώστε να βρούμε τον μικρότερο εναλλάκτη που μπορεί να υλοποιήσει την συναλλαγή θερμότητας που επιθυμούμε) λαμβάνουμε την κατακόρυφη και την οριζόντια απόσταση ανάμεσα στα κέντρα των στομίων εισόδου/εξόδου των ρευστών και αντίστοιχα σε. Στην περίπτωση του ατμοποιητή δοκιμάζουμε τρία διαφορετικά μοντέλα εναλλακτών. Τους CB 60 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-60), CB 62 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150) και CB 76 (, - εύρος αριθμού πλακών 4-150). 63

79 Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά των πλακών λαμβάνονται όπως ορίζεται κατά περίπτωση παρακάτω. [21] Δεδομένα: εναλλάκτης μίας διαδρομής: πάχος πλάκας: γωνία αυλακώσεων πλάκας: συντελεστής μεγέθυνσης: συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας υλικού πλάκας (SS316): πλάτος που καταλαμβάνει πλάκα(μαζί με το διάκενο): διάκενο μεταξύ πλακών: διάμετρος στομίων εισόδου: βήμα αυλάκωσης: πλάτος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: ύψος επιφάνειας συναλλαγής πλάκας: επιφάνεια ροής ρευστού ανά αυλάκωση: επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα: επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας ανά πλάκα λαμβάνοντας υπόψη τις αυλακώσεις: υδραυλική διάμετρος: αριθμός καναλιών ανά ρεύμα: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι: παροχές μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος ανά κανάλι και ανά : Για τον υπολογισμό του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη θεωρούμε ότι δεν έχουμε πτώση πίεσης. Αρχικά υπολογίζεται το βήμα της αύξησης της ενθαλπίας του κρύου ρεύματος βάσει του οποίου θα γίνει ο διαμερισμός του εναλλάκτη σε τόσα πεπερασμένα στοιχεία όσα και ο αριθμός iter που έχουμε δώσει σαν είσοδο στη συνάρτηση. Κατά αυτόν τον τρόπο, σε κάθε διαμέριση θα γίνει ισόποση αύξηση της ενθαλπίας, η δε ενθαλπία εξόδου του θερμού ρεύματος θα προκύπτει από ισολογισμό ενέργειας στο σύνολο του εναλλάκτη: Πλέον είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε το βρόχο που θα υπολογίζει τον ολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη και κατ επέκταση την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής και άρα και τις διαστάσεις και τον αριθμό των πλακών του εναλλάκτη. Η διαδικασία που ακολουθείται για καθένα από iter τμήματα είναι η εξής: 64

80 Όπως έχει αναφερθεί, η αύξηση της ενθαλπίας του ψυχρού ρεύματος που λαμβάνει χώρα σε κάθε τμήμα m είναι ίση με, συνεπώς η ενθαλπία εξόδου του ψυχρού ρεύματος από το κάθε τμήμα προκύπτει ως εξής: Από την άλλη πλευρά, η ενθαλπία εισόδου του θερμού ρεύματος στο τμήμα m προκύπτει από ενεργειακό ισολογισμό στο εν λόγω τμήμα: Έχοντας υπολογίσει όλες τις ενθαλπίες εξόδου και εισόδου των δύο ρευμάτων είμαστε σε θέση με χρήση του λογισμικού COOLPROP να προσδιορίσουμε τις θερμοκρασίες που αντιστοιχούν σε αυτές τις ενθαλπίες για τις δεδομένες πιέσεις. Χρησιμοποιώντας αυτές τις θερμοκρασίες υπολογίζουμε τη μέση λογαριθμική θερμοκρασία: Αφού υπολογίσουμε την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα, υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: Ακολούθως για να προσδιοριστεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος (μονοφασική ροή) υπολογίζονται κατά σειρά: αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl: Σύμφωνα με τον Martin (1996) [24] ο συντελεστής τριβής ξ του Darcy υπολογίζεται για τους πλακοειδείς εναλλάκτες ως εξής: Όπου 65

81 Και Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Leuven [24] ο αριθμός Nusselt ισούται με: Όπου η δυναμική συνεκτικότητα που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία Οπότε, τελικά προσδιορίζεται ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Κατ αντιστοιχία υπολογίζουμε και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ψυχρού ρεύματος, ωστόσο οι τύποι διαφοροποιούνται καθότι πρόκειται ροή υπερκρίσιμου ρευστού. Οι αριθμοί Reynolds και Prandtl για το ψυχρό ρεύμα είναι ίσοι με: αριθμός Reynolds: αριθμός Prandtl: Χρησιμοποιώντας τη σχέση που λάβαμε από τη μελέτη του πανεπιστημίου του Queensland [25] που τροποποιεί με κατάλληλους συντελεστές τον τύπο του Jackson ο αριθμός Nusselt λαμβάνεται ίσος με: Όπου, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η πυκνότητα του οργανικού μέσου, αντίστοιχα, σε θερμοκρασία ίση με αυτή των τοιχωμάτων και, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η πυκνότητα του οργανικού μέσου, αντίστοιχα, σε θερμοκρασία ίση με τη μέση θερμοκρασία του ρεύματος. Τελικά ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του θερμού ρεύματος: Οπότε ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: 66

82 Το θερμικό κέρδος που συντελείται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο είναι ίσο με: Συνεπώς η απαιτούμενη στοιχειώδης επιφάνεια είναι ίση με: Τέλος, για να περάσουμε στο επόμενο πεπερασμένο στοιχείο θα ισχύουν οι σχέσεις: Αφού ολοκληρωθεί ο βρόχος η συνολική απαιτούμενη επιφάνεια του εναλλάκτη είναι ίση με το άθροισμα των στοιχειωδών επιφανειών: Για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης υπολογίζουμε για το σύνολο του εναλλάκτη την μέση θερμοκρασία σε κάθε ρεύμα και αντίστοιχα και κατόπιν υπολογίζουμε την μέση θερμοκρασία της πλάκας ως το μέσο όρο των θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων: Η δε μέση θερμοκρασία του τοιχώματος της πλάκας λαμβάνεται ίση με το μέσο όρο της μέσης θερμοκρασίας της πλάκας και της μέσης θερμοκρασίας του αντίστοιχου ρεύματος: Με βάση αυτές τις θερμοκρασίες μπορούμε να προσδιορίσουμε για το θερμό ρεύμα τα εξής: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Τελικά η πτώση πίεσης στο θερμό ρεύμα είναι ίση με: Όπου η πυκνότητα του ρευστού. Το δε ξ υπολογίζεται με τον τύπο που αναφέρθηκε και προηγουμένως για το θερμό ρεύμα. Κατ αντιστοιχία για το ψυχρό ρεύμα: ταχύτητα ρεύματος ανά κανάλι: Τελικά η πτώση πίεσης στο ψυχρό ρεύμα είναι ίση με: Όπου η πυκνότητα του ρευστού. Το δε ξ υπολογίζεται με τον τύπο που αναφέρθηκε και προηγουμένως για το ψυχρό ρεύμα. 67

83 Με βάση την συνάρτηση που περιγράφηκε ακριβώς παραπάνω, κάθε εναλλάκτης από τους τρεις ξεκινώντας από τον μικρότερο ελέγχεται μέσω ενός βρόχου κατά πόσο μπορεί να υλοποιήσει τη ζητούμενη μεταφορά θερμότητας με τον ελάχιστο δυνατό αριθμό πλακών. Ο βρόχος σταματάει μόλις βρεθεί ένας αριθμός πλακών που να παρέχει την απαιτούμενη επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας για να καλύψει τις ανάγκες της εγκατάστασης και παράλληλα να ικανοποιεί τη συνθήκη της πτώσης πίεσης, η οποία έχει τεθεί να μην υπερβαίνει τα 10 Pa για το ψυχρό ρεύμα και τα 5 Pa για το θερμό ρεύμα -δεχόμαστε μεγαλύτερη πτώση πίεσης στο ψυχρό ρεύμα γιατί έτσι κι αλλιώς λόγω της αλλαγής φάσης παρατηρούνται μεγαλύτερες πτώσεις πίεσης σε σχέση με τις μονοφασικές ροές-. Ο κώδικας που υλοποιεί την διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω αναπτύχθηκε στο περιβάλλον της Matlab και παρουσιάζεται στο Παράρτημα της παρούσας εργασίας και στην σχετική υποενότητα. 4.7 Αποτελέσματα εναλλάκτη Εκτελώντας το παραπάνω πρόγραμμα, εξελέγη για τις ανάγκες της εγκατάστασης ο εναλλάκτης CBH 60 με 95 πλάκες [28]. Το σχέδιο που ακολουθεί δίδει τις ακριβείς διαστάσεις του εναλλάκτη, ώστε να είμαστε σε θέση να τον τοποθετήσουμε πλέον και στο συγκεντρωτικό σχέδιο της εγκατάστασης. Τα συγκεκριμένα σχέδια όπως και όλα τα υπόλοιπα σχέδια της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α στο τέλος της εργασίας κάτω από τη σχετική υποενότητα. 4.8 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα Έχοντας ολοκληρώσει τη διαδικασία εκλογής και των τριών εναλλακτών που αναλύθηκε παραπάνω, παρουσιάζουμε τα στοιχεία της τελικής παραγγελίας των εναλλακτών: α/α Τύπος Μοντέλο 1 Ατμοποιητής CB 30 30H 2 Συμπυκνωτής CB 76 50H 3 «Υπερκρίσιμος» εναλλάκτης CBH 60-95H Πίνακας 15: Λίστα παραγγελίας εναλλακτών Σημειώνεται ότι για την συγκράτηση των εναλλακτών στο σκελετό, όπως είναι προφανές, χρησιμοποιήθηκαν 6 περικόχλια Μ8 εξαγωνικής κεφαλής. Αναφορικά δε με τις βάσεις των εναλλακτών θα έχουν τις εξής διαστάσεις: α/α Περιγραφή Διαστάσεις 1 Βάση ατμοποιητή 235x400x10 2 Βάση συμπυκνωτή 335x640x10 3 Βάση υπερκρίσιμου εναλλάκτη 240x550x10 Πίνακας 16: Διαστάσεις βάσεων εναλλακτών 68

84 Κεφάλαιο 5: Διαστασιολόγηση αντλίας ORC 5.1 Εισαγωγή Ως αντλίες ορίζονται οι μηχανές που χρησιμεύουν για τη μετακίνηση υγρών και την προσθήκη ενέργειας σε αυτά, μετατρέποντας τη μηχανική ενέργεια που παρέχεται σε αυτές μέσω του κινητήρα σε δυναμική, κινητική και θερμική ενέργεια του υγρού. [29] Υπάρχουν διάφορα χαρακτηριστικά βάσει των οποίων θα μπορούσε να γίνει η ταξινόμηση των αντλιών, όπως ο τύπος του υγρού που διακινείται, τα υλικά από τα οποία έχουν κατασκευαστεί οι αντλίες, ο αριθμός των βαθμίδων τους κλπ. Ο πιο βασικός διαχωρισμός των αντλιών έγκειται στην αρχή λειτουργίας τους και με αυτόν τον τρόπο διακρίνονται δύο μεγάλες κατηγορίες αντλιών: οι δυναμικές (dynamic pumps) και οι θετικής μετατόπισης (positive displacement pumps). Η λειτουργία των δυναμικών αντλιών στηρίζεται στη μεταβολή της κινητικής κατάστασης του υγρού και τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε στατική πίεση. Βασικά χαρακτηριστικά των αντλιών αυτού του τύπου είναι η καλή απόδοση, η συνεχής και ομοιόμορφη κίνηση του ρευστού που διακινούν, ο μικρός όγκος τους, το σχετικά χαμηλό τους κόστος και απουσία περιοδικότητας στις διακυμάνσεις της πίεσης και της παροχής. Από την άλλη πλευρά, οι αντλίες θετικής μετατόπισης παραλαμβάνουν το υγρό από το σωλήνα αναρρόφησης και το μετατοπίζουν προς το σωλήνα κατάθλιψης με κάποιο κινούμενο στερεό σώμα που κινείται μέσα σε ειδικό περίβλημα. Για την καλύτερη κατανόηση του πλήθους των διαφορετικών τύπων αντλιών παρουσιάζεται το κάτωθι σχεδιάγραμμα που παρουσιάζει ενδεικτικά τις κυριότερες υποκατηγορίες: Εικόνα 55: Σχεδιάγραμμα διαφόρων τύπων αντλιών- με κίτρινο είναι ο τύπος της αντλίας που θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση 69

85 5.2 Αντλίες θετικής μετατόπισης Οι αντλίες θετικής μετατόπισης στις οποίες συμπεριλαμβάνεται και ο τύπος αντλίας που θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το είδος της κίνησης του κινούμενου στοιχείου: τις παλινδρομικές (reciprocating) και τις περιστροφικές (rotary). Μία περιστροφική αντλία αποτελείται από το έμβολο, τον θάλαμο, τις βαλβίδες εξαγωγής και εισαγωγής και το μηχανισμό που κινεί το έμβολο. Στην πιο απλή κατασκευή (όπως αυτή που φαίνεται στο κάτωθι σχήμα) ο κύλινδρος συνδέεται με τον θάλαμο στον οποίο υπάρχουν η βαλβίδα εισαγωγής και η βαλβίδα εξαγωγής. Καθώς το έμβολο κινείται προς τα αριστερά μέσα στον κύλινδρο, κλείνει η βαλβίδα κατάθλιψης (εξαγωγής) και ο θάλαμος γεμίζει με υγρό μέσα από την ανοιχτή βαλβίδα αναρρόφησης (εισαγωγής). Εικόνα 56: Σχεδιάγραμμα παλινδρομικής αντλίας Όταν το έμβολο κινείται προς τα δεξιά κλείνει η βαλβίδα αναρρόφησης, ανοίγει η βαλβίδα κατάθλιψης και το υγρό εκτοπίζεται προς το στόμιο εξόδου. Το έμβολο κινείται παλινδρομικά από τον διωστήρα, που παίρνει κίνηση από τον κινητήρα μέσω στροφάλου. Στις αντλίες αυτές η ταχύτητα του εμβόλου περιορίζεται από την αδράνεια για αυτό και αδυνατούν να συνδεθούν απευθείας με ηλεκτροκινητήρες υψηλών στροφών. Επιπρόσθετα, η παροχή τους παρουσιάζει διακυμάνσεις λόγω της περιοδικής κίνησης του εμβόλου. Οι παλινδρομικές αντλίες χρησιμοποιούνται για μικρής ποσότητας και υψηλής πίεσης ανάγκες όπου η απόδοση τους υπερβαίνει αυτή των φυγόκεντρων αντλιών. Για παράδειγμα η διακίνηση υγρού με παροχή και πίεση εξόδου θα ήταν από μηχανικής πλευράς απόλυτα εφικτή για μία φυγόκεντρη αντλία, αλλά για την εν λόγω διεργασία ο βαθμός απόδοσης μίας φυγόκεντρης αντλίας είναι περίπου 45% και ως εκ τούτου θα απαιτεί διπλάσια ισχύ για τη λειτουργία της σε σχέση με μία παλινδρομική αντλία που για την εν λόγω διεργασία έχει βαθμό απόδοσης περί το 80%. [31] Η δεύτερη μεγάλη κατηγορία αντλιών θετικής μετατόπισης, όπως ήδη έχει αναφερθεί, είναι οι περιστροφικές αντλίες μετατόπισης. Το ευρύτατο πεδίο εφαρμογών τους εκτείνεται σε κάθε είδους καθαρό υγρό που έχει κάποια λιπαντική ικανότητα και επαρκές ιξώδες για να αποφευχθεί η υπερβολική διαρροή μέσα από τα διάκενα στην απαιτούμενη πίεση. Γενικά 70

86 στις περιστροφικές αντλίες ασκούνται πιο μικρές αδρανειακές δυνάμεις και για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται για μεγαλύτερες παροχές και μικρότερες πιέσεις σε σχέση με τις παλινδρομικές αντλίες. Είναι ελαφρές και μικρού όγκου και παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία τύπων με κυριότερους τις αντλίες με ολισθαίνοντες σύρτες (sliding-gates) και τις γραναζωτές αντλίες (gear pumps). 5.3 Αντλίες διαφράγματος Εικόνα 57: Τρισδιάστατη τομή μιας περιστροφικής αντλίας Οι αντλίες διαφράγματος είναι αντλίες θετικής μετατόπισης που διαθέτουν κάποια ελαστική μεμβράνη (διάφραγμα) το οποίο είναι πακτωμένο περιφερειακά για λόγους στεγάνωσης σε σταθερό περίβλημα. Το διάφραγμα, που έρχεται σε απευθείας επαφή με το υγρό, παίρνει κίνηση είτε μηχανικά, είτε υδραυλικά είτε πνευματικά. Το διάφραγμα κατασκευάζεται συνήθως από συνθετικό καουτσούκ ενισχυμένο με κάποιο είδος υφάσματος. Τα υλικά των διαφραγμάτων περιλαμβάνουν συνήθως τα περισσότερα είδη συνθετικού καουτσούκ: βουτύλιο, βιτόν, τεφλόν κλπ. Διαφορετικοί συνδυασμοί υλικών από τα οποία κατασκευάζονται τόσο η αντλία όσο και ειδικά το διάφραγμα μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο εύρος διαφορετικών αντλητικών αναγκών. Εικόνα 58: Σχεδιάγραμμα αντλίας διαφράγματος με μηχανική οδήγηση Οι αντλίες διαφράγματος είναι πολύ κατάλληλες για δοσομετρικές αντλίες (metering pumps) στη χημική βιομηχανία και αλλού γιατί μετατοπίζουν προϋπολογισμένη ποσότητα υγρού για κάθε εμβολισμό και το υγρό δεν έρχεται σε επαφή με τα άλλα μέρη και τους 71

87 μηχανισμούς της αντλίας παρά μόνο με το ελαστικό διάφραγμα και τις βαλβίδες. Έτσι, αποφεύγεται τόσο η μόλυνση του υγρού όσο και η διάβρωση ή φθορά των κινούμενων μερών της αντλίας. Όπως όλες οι αντλίες θετικής μετατόπισης, και αυτές έχουν αυτόματη αναρρόφηση και πολλά άλλα πλεονεκτήματα. Ειδικά οι αεριοκίνητες αντλίες διαφράγματος δεν απαιτούν ανακουφιστικές βαλβίδες για προστασία από υπερπίεση γιατί η αντλία σταματά όταν η πίεση κατάθλιψης εξισωθεί με την πίεση εισόδου του αέρα. Είναι κατάλληλες για άντληση υγρών θερμοκρασίας μέχρι και σε ειδικές περιπτώσεις μέχρι και. Δεν υπερθερμαίνονται και δεν εμφανίζουν διαρροές γιατί δεν διαθέτουν στυπιοθλίπτη. Είναι αντιεκρηκτικού τύπου και δεν παρουσιάζουν ηλεκτρικούς κινδύνους. Τέλος, λειτουργούν με χαμηλές ταχύτητες και δεν βλάπτουν υγρά ευαίσθητα σε διάτμηση όπως τα LATEX. [29] 5.4 Εκλογή τύπου αντλίας για την εγκατάσταση Η αντλία που θα χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση που μελετά η παρούσα εργασία ύστερα από σχετική έρευνα αγοράς εξελέγη ότι θα είναι μοντέλο της σειράς D-10 της εταιρείας Hydra cell. Οι συνθήκες λειτουργίας της ζητούμενης αντλίας είναι: Συνθήκες Τιμή Πίεση εισόδου (bar) 13,02 Πίεση εξόδου (bar) 34,4 Παροχή όγκου στην είσοδο (L/min) 27,22 Παροχή όγκου στην έξοδο (L/min) 26,85 Πίνακας 17: Βασικά στοιχεία λειτουργίας ζητούμενης αντλίας Από το σχετικό διάγραμμα εκλογής της κατασκευάστριας εταιρείας, το οποίο επισυνάπτεται στην επόμενη σελίδα, βάσει των παραπάνω συνθηκών προσδιορίζουμε τελικά το ακριβές μοντέλο της αντλίας. Εικόνα 59: Η αντλία D-10-X της εταιρείας Hydra Cell Κατά αυτό τον τρόπο, εξελέγη το μοντέλο D-10-X του οποίου οι ονομαστικές στροφές για την συγκεκριμένη παροχή όγκου προέκυψαν από το διάγραμμα ίσες με περίπου 1300rpm. Τέλος για να είναι ανθεκτική η αντλία στην ζητούμενη πίεση εξόδου, επιλέγεται αντλία με μεταλλική κεφαλή (που έχει μέγιστη πίεση λειτουργίας τα 70 bar, έναντι της μη μεταλλικής που έχει μέγιστη πίεση λειτουργίας στα 17 bar). 72

88 Επιπλέον παρουσιάζονται κάποια πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου, όπως αυτά παρέχονται από τον κατασκευαστή. Χαρακτηριστικά Τιμή Μέγιστη πίεση εισόδου (bar) 17 Μέγιστη θερμοκρασία ροής 121 Διάμετρος στομίου εισόδου (in) 1 Διάμετρος στομίου εξόδου (in) 3/4 Διάμετρος άξονα (in) 7/8 Βάρος (kg) 22 Πίνακας 18: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά αντλίας Εικόνα 60: Διάγραμμα επιλογής αντλίας και προσδιορισμού ονομαστικών στροφών βάσει της αναρροφώμενης παροχής όγκου 73

89 Το κατασκευαστικό σχέδιο της αντλίας, όπως παρέχεται από την κατασκευάστρια εταιρεία παρουσιάζεται στο παράρτημα της παρούσας εργασίας, στη σχετική υποενότητα. 5.5 Διαστασιολόγηση ηλεκτροκινητήρα αντλίας Η απαραίτητη ισχύς για την κίνηση της εν λόγω αντλίας υπολογίζεται βάσει του τύπου που μας δίδει ο κατασκευαστής [34] ως εξής: Οπότε ο ζητούμενος ηλεκτροκινητήρας θα πρέπει να έχει ονομαστικές στροφές μεγαλύτερες ή ίσες από τις 1300 rpm που αποτελούν τις ονομαστικές στροφές της αντλίας και η ωφέλιμη ισχύς αυτού πρέπει να είναι άνω των 2,5 kw (λαμβάνοντας υπόψη και κάποιες απώλειες λόγω συνδεσμολογίας με την αντλία). Βάσει των παραπάνω εκλέγουμε το μοντέλο Κ100L-4 της εταιρείας Valiadis, που πρόκειται για έναν τριφασικό τετραπολικό κινητήρα με ονομαστικές στροφές στα 1410 rpm και ονομαστικής ισχύος 3 kw. Επιπλέον τεχνικά χαρακτηριστικά, όπως αυτά παρέχονται από τον κατασκευαστή παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: K100L-4 Μέγεθος Τιμή Ονομαστική ισχύς (hp) 4 Βαθμός απόδοσης (%) 81,3 cosφ 0,82 Ονομαστική ένταση ρεύματος (Α) στα 400V 6,5 Ονομαστική ροπή (Nm) 20 Ροπή αδράνειας (kgm²) 0,0067 Λόγος ρεύματος εκκίνησης προς 6,5 ονομαστικό Λόγος ροπής εκκίνησης προς ονομαστική 2,7 ροπή Λόγος μέγιστης ροπής προς ονομαστική 2,9 Βάρος (kg) 32 Πίνακας 19: Βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτροκινητήρα Το κατασκευαστικό σχέδιο του ηλεκτροκινητήρα επισυνάπτεται στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας στη σχετική υποενότητα. 5.6 Εκλογή αντικραδασμικών βάσεων Δεδομένου ότι κατά τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα θα εμφανίζονται κάποιοι κραδασμοί, είναι απαραίτητη η προσθήκη αντικραδασμικών πελμάτων για την απόσβεση των ταλαντώσεων αυτών. Για αυτό το σκοπό, επιλέχθηκαν τα μεταλλικά πέλματα βαρέως τύπου Stabiflex της εταιρείας TECNOPneumatic με βάση σχήματος ρόμβου. Δεδομένο ότι το συνολικό βάρος της αντλίας και του ηλεκτροκινητήρα είναι περίπου kg επιλέχθηκε το 74

90 μοντέλο με ονομαστικό στατικό φορτίο μέχρι 1650 N. Τα βασικά χαρακτηριστικά των εν λόγω αντικραδασμικών είναι η μεγάλη αντοχή σε αξονικές πιέσεις και στρεπτικές τάσεις. [33] Εικόνα 61: Πέλμα Stabiflex βάσης σχήματος ρόμβου Το κατασκευαστικό σχέδιο των εν λόγω στοιχείων -απαιτούνται 4 συνολικά, ένα για κάθε άκρο της βάσης πάνω στην οποία θα είναι τοποθετημένοι ο κινητήρας με την αντλίαπαρουσιάζεται στο Παράρτημα Α στην σχετική υποενότητα. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την πρόσδεση της αντλίας και του κινητήρα στη βάση τους, πέραν των κοχλιών που έχουν ήδη προβλεφθεί στα στοιχεία του σκελετού, απαιτούνται τα εξής: α/α Περιγραφή Πλήθος 1 Button Head Screw M12x25, bright zinc-plated 4 2 Button Head Screw M12x50, bright zinc-plated 2 3 Button Head Screw M12x40, bright zinc-plated 6 4 Περικόχλιο εξαγωνικής κεφαλής Μ12 8 Πίνακας 20: Στοιχεία πρόσδεσης κινητήρα-αντλίας στο σκελετό Ενώ η κοινή βάση αντλίας και ηλεκτροκινητήρα θα έχει μία διαβάθμιση στο πάχος όπως είναι αναμενόμενο ώστε οι άξονες των δύο στοιχείων να έρθουν στο ίδιο επίπεδο. Για αυτό το λόγο, οι διαστάσεις της βάσης θα είναι 340x400x5 στο τμήμα που θα δεθεί η αντλία και 340x400x13,3 στο τμήμα που θα τοποθετηθεί ο ηλεκτροκινητήρας. 5.7 Εκλογή κόπλερ Για τη μετάδοση της κίνησης από τον ηλεκτροκινητήρα στην αντλία είναι απαραίτητη η σύζευξη των δύο στοιχείων. Για να είναι εφικτή η σύνδεση αυτή, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός κόπλερ (coupling). Η προσεκτική εκλογή του κόπλερ είναι μείζονος σημασίας όχι μόνο για τη ορθή λειτουργία του συστήματος άντλησης αλλά και εν γένει για το κόστος λειτουργίας και συντήρησης της εγκατάστασης. Βασικό στοιχείο στην εκλογή του κόπλερ είναι μέση ροπή που αναπτύσσεται στον άξονα του κινητήρα. Το μοντέλο που θα εκλεγεί ανήκει στην εταιρεία Bomab και είναι μοντέλο της σειράς samiflex και τύπου Α, που προορίζεται για χρήση σε παλινδρομικές αντλίες, όπως αυτή που θα χρησιμοποιηθεί στην εν λόγω εγκατάσταση. Για την εκλογή του κόπλερ πρέπει πρώτα να υπολογιστεί η ονομαστική ροπή, η οποία προκύπτει από τον τύπο: 75

91 Κατόπιν, προσδιορίζονται από ειδικούς πίνακες του κατασκευαστή [35] οι ειδικοί διορθωτικοί συντελεστές που αντιστοιχούν στην εφαρμογή που επιθυμούμε να χρησιμοποιήσουμε το εν λόγω κόπλερ. Εν προκειμένου, οι συντελεστές αυτοί είναι ίσοι με Οπότε η μέγιστη αναπτυσσόμενη ροπή είναι ίση με: Πλέον, μπορούμε να πάμε στους σχετικούς πίνακες που δίδει ο κατασκευαστής για τον εν λόγω τύπο κόπλερ και να εκλέξουμε το μοντέλο που ικανοποιεί τις ζητούμενες συνθήκες. Κατά αυτό τον τρόπο, εκλέγουμε το μοντέλο Α1 το οποίο έχει μέγιστη ροπή 90 Nm, μέγιστες στροφές 5500rpm (πολύ περισσότερες από τις 1300rpm που θα έχει ο ηλεκτροκινητήρας) ενώ και η μέγιστη διάμετρος άξονα με τον οποία δύναται να συνδεθεί είναι 38 mm (ο άξονας της αντλίας είναι 22,23mm ενώ του ηλεκτροκινητήρα 28 mm). Οι βασικές διαστάσεις του εν λόγω κόπλερ δίδονται παρακάτω από το σχετικό φυλλάδιο του κατασκευαστή: Εικόνα 62: Βασικές διαστάσεις κόπλερ 76

92 Κεφάλαιο 6: Τροφοδοτικό δοχείο και φίλτρο 6.1 Τροφοδοτικό δοχείο Σύμφωνα με τον ορισμό που δίδει η τελευταία έκδοση της ASHRAE [36], ως τροφοδοτικό δοχείο (refrigerant liquid receiver) ορίζεται ένα δοχείο ενός συστήματος ψύξης το οποίο έχει σχεδιασθεί για να εξασφαλίζει την διαρκή διαθεσιμότητα επαρκούς υγρής ποσότητας οργανικού μέσου για την ορθή λειτουργία του συστήματος, καθώς και για την αποθήκευση του οργανικού όταν το σύστημα είναι εκτός λειτουργίας. Εν γένει, το τροφοδοτικό δοχείο είναι ένα δοχείο αποθήκευσης του οργανικού μέσου, μέσα στο οποίο δεν υπάρχει κυκλοφορία του μέσου και η χρηστικότητά του έγκειται στο γεγονός ότι εντός αυτού διαχωρίζεται φυσικά το αέριο τμήμα, που ενδεχομένως υπάρχει στο ρεύμα στην είσοδο στο δοχείο, από το υγρό και έτσι το ρεύμα που παραλαμβάνεται από την έξοδο του τροφοδοτικού είναι κορεσμένο υγρό. Όπως έχει ήδη αναφερθεί το τροφοδοτικό δοχείο χρησιμεύει σαν αποθηκευτικός χώρος για το οργανικό μέσο σε περιόδους που το σύστημα βρίσκεται εκτός λειτουργίας αλλά και σε περιπτώσεις συντήρησης του συστήματος. [37] Για τον λόγο αυτό, το τροφοδοτικό δοχείο θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο σε διαστάσεις ώστε να μπορεί να αποθηκεύσει το σύνολο της ποσότητας του οργανικού μέσου που διακινείται στην εγκατάσταση. Αξίζει να σημειωθεί ότι το τροφοδοτικό δοχείο πρέπει να είναι οπωσδήποτε σε πιο χαμηλή θέση από τον συμπυκνωτή στο σύστημα ώστε να είναι εφικτή η φυσική κυκλοφορία του οργανικού μέσου από τον συμπυκνωτή προς το δοχείο. [38] Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες τροφοδοτικών δοχείων ανάλογα με τον άξονα τοποθέτησής τους: τα οριζόντια και τα κατακόρυφα. Στην παρούσα εγκατάσταση λόγω του ότι η καθ ύψος επέκταση του συστήματος είναι πιο εύκολη από την κατά μήκος -λόγω ανάγκης οικονομίας της επιφάνειας του δαπέδου που καταλαμβάνει η εγκατάσταση- επιλέχθηκε κατακόρυφο τροφοδοτικό δοχείο. Ως ζητούμενη χωρητικότητα περιλαμβάνοντας και ένα συντελεστή ασφάλειας, για τους λόγους που αναφέρθηκαν παραπάνω, επιλέχθηκαν τα 60L. Δεδομένου ότι το τροφοδοτικό δοχείο έπεται του συμπυκνωτή (σημείο 5), υπενθυμίζονται παρακάτω οι συνθήκες που επικρατούν στο συγκεκριμένο σημείο: Μέγεθος Τιμή Μονάδες Πίεση 13,02 bar Θερμοκρασία 50 Πίνακας 21: Συνθήκες λειτουργίας εντός του τροφοδοτικού δοχείου 77

93 Βάσει αυτών των συνθηκών και των στοιχείων που μας δίδει ο κατασκευαστής [39] εκλέγεται το μοντέλο RLVCY 600, το οποίο έχει τα εξής τεχνικά χαρακτηριστικά: Μέγεθος Τιμή Χωρητικότητα (L) 60 Μέγιστη πίεση λειτουργίας (bar) 42 Ονομαστική πίεση λειτουργίας (bar) 15 Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 100 Ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας -40 Πίνακας 22: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά λειτουργίας τροφοδοτικού δοχείου Εικόνα 63: Παράδειγμα τροφοδοτικού δοχείου της σειράς RLVCY Το κατασκευαστικό σχέδιο του συγκεκριμένου τροφοδοτικού δοχείου δίδεται στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας. Συγκεντρωτικά για τη λειτουργία και συγκράτηση του τροφοδοτικού δοχείου στο σκελετό, πέραν των στοιχείων της βάσης που έχουν ληφθεί υπόψη και αναφερθεί στο Κεφάλαιο 2, χρησιμοποιήθηκαν (υπενθυμίζεται ότι η βάση δεν συμπεριλαμβάνεται στον πίνακα του Κεφαλαίου 2, αλλά παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα) : α/α Περιγραφή Ποσότητα 1 Τροφοδοτικό δοχείο RLVCY Ελαστικός σύνδεσμος CY Βαλβίδα εισόδου CY Βαλβίδα εξόδου CY Κοχλίας εξαγωνικής κεφαλής M12x Περικόχλιο εξαγωνικής κεφαλής M Βάση 450x350x10 1 Πίνακας 23: Στοιχεία πρόσδεης τροφοδοτικού δοχείου στο σκελετό 78

94 6.2 Φίλτρο Για την προστασία της αντλίας και εν γένει της εγκατάστασης είναι απαραίτητη η χρήση φίλτρου για να παρακρατεί ουσίες που ενδεχομένως να βλάψουν τη λειτουργία κάποιου από τα στοιχεία της εγκατάστασης, κυρίως από ενδεχόμενη υγρασία που μπορεί να έχει παραμείνει εντός του συστήματος κατά την εγκατάσταση των επιμέρους στοιχείων και έχει σαν αποτέλεσμα το οργανικό μέσο να είναι έντονα διαβρωτικό, προκαλώντας σοβαρές φθορές στο σύστημα. Στην εκλογή του εν λόγω στοιχείου βασική στοιχείο είναι αν οι συνθήκες λειτουργίας όσο και το ίδιο το οργανικό μέσο που θα χρησιμοποιηθεί είναι εντός του πεδίου λειτουργίας του ζητούμενου φίλτρου. Δεδομένου ότι το φίλτρο τοποθετείται μεταξύ του τροφοδοτικού δοχείου και της αντλίας, και δεχόμενοι ότι στις ιδανικές συνθήκες η είσοδος και η έξοδος του δοχείου έχουν τις ίδιες συνθήκες, θα ισχύει ότι και στο φίλτρο θα επικρατούν οι ίδιες συνθήκες που επικρατούσαν και στο τροφοδοτικό δοχείο και αναφέρθηκαν παραπάνω. Βάσει αυτών των συνθηκών ένα μοντέλο που ικανοποιεί τις ανάγκες της εγκατάστασης είναι το μοντέλο ADK-415 (κωδικός ) της σειράς ADK της εταιρείας Emerson Climate Technologies [40], το οποίο έχει μέγιστη πίεση λειτουργίας 680psig (περίπου 46 bar) που είναι πολύ μεγαλύτερη από την πίεση λειτουργίας στο συγκεκριμένο σημείο της εγκατάστασης στο οποίο πρόκειται να τοποθετηθεί το φίλτρο. Εικόνα 64: Φίλτρο της σειράς ADK Όπως σε όλες τις προηγούμενες περιπτώσεις, το κατασκευαστικό σχέδιο του φίλτρου παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α της εργασίας στη σχετική υποενότητα. 79

95 Κεφάλαιο 7: Συμπιεστής 7.1 Εισαγωγή Ως συμπιεστής ορίζεται μία μηχανή που χρησιμοποιείται για την αύξηση της πίεσης ενός αερίου, μέσω της μείωσης του όγκου του. Η αρχή λειτουργίας του συμπιεστή είναι παρεμφερής με αυτή της αντλίας καθώς και οι δύο αυξάνουν την πίεση του διακινούμενο μέσου, με τη διαφορά ότι η αντλία χρησιμοποιείται για υγρά ενώ ο συμπιεστής για αέρια. Υπάρχουν διάφοροι τύποι συμπιεστών, βάσει της αρχής λειτουργίας τους. Μια βασική κατηγοριοποίηση παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. Εικόνα 65: Κατηγοριοποίηση συμπιεστών Οι συμπιεστές θετικής μετατόπισης (positive displacement) αυξάνουν την πίεση του αερίου μέσω μείωσης του όγκου του θαλάμου συμπίεσης, με τη βοήθεια έργου που προσδίδεται στο μηχανισμό του συμπιεστή. Κύριες υποκατηγορίες συμπιεστών θετικής μετατόπισης είναι οι παλινδρομικοί συμπιεστές (reciprocating compressors), οι συμπιεστές με πτερύγια (rotary vane compressors), οι συμπιεστές scroll -όπως αυτός που θα χρησιμοποιηθεί στην συγκεκριμένη εγκατάσταση- και οι συμπιεστές με κοχλία (screw compressors). Οι δυναμικοί συμπιεστές, για τους οποίους δεν θα επεκταθούμε περαιτέρω, αυξάνουν την πίεση του αερίου μέσω της συνεχούς μετάδοσης στροφορμής από το περιστρεφόμενο μέλος προς το αέριο, η οποία ακολουθείται από τη μετατροπή αυτής της στροφορμής σε αύξηση της πίεσης του αερίου. [40] 7.2 Παλινδρομικοί και περιστροφικοί συμπιεστές Οι περισσότεροι παλινδρομικοί συμπιεστές είναι απλής δράσης, χρησιμοποιώντας ένα έμβολο, το οποίο κινείται μέσω διωστήρα που συνδέεται με τον άξονα της κινητήριας μηχανής. Για να εμποδιστεί η διαρροή του αερίου μέσω του εμβόλου χρησιμοποιείται 80

96 συνήθως ένα στρώμα λαδιού ανάμεσα στο έμβολο και τα τοιχώματα του θαλάμου συμπίεσης. Καθώς ο άξονας της κινητήριας μηχανής κινείται αναγκάζει το έμβολο να εκτελεί μία παλινδρομική κίνηση, η οποία εξαναγκάζει το άεριο διαδοχικά να εισέλθει στο θάλαμο συμπίεσης μέσω της δημιουργίας υποπίεσης εντός του θαλάμου, το συμπιέζει και το οδηγεί στην έξοδο του συμπιεστή. Οι μονοβάθμιοι συμπιεστές χρησιμοποιούνται για μέσες θερμοκρασίες -περίπου -20 με 0 - σε εφαρμογές κλιματισμού, ενώ για χαμηλότερες θερμοκρασίες -μεταξύ -30 και χρησιμοποιούνται διβάθμιοι συμπιεστές, χρησιμοποιώντας R22 ή αμμωνία μέσα στο κέλυφος ενός μονοβάθμιου συμπιεστή. Εικόνα 66: Τομή παλινδρομικού μονοβάθμιου συμπιεστή Οι περιστροφικοί συμπιεστές με πτερύγια (rotary vane compressors) αποτελούνται από ένα περιστρεφόμενο άξονα με ένα αριθμό πτερυγίων τοποθετημένων στην περιφέρεια του άξονα. Ο άξονας μαζί με τα πτερύγια είναι τοποθετημένος εντός κελύφους το οποίο είναι συνήθως κυλινδρικό. Μαζί με τους συμπιεστές με έμβολα οι συμπιεστές με πτερύγια είναι οι δύο πιο παλιοί τύποι συμπιεστών. Οι μικροί συμπιεστές αυτού του τύπου για ισχείς μεταξύ 2 και 40 kw είναι μονοβάθμιοι και χρησιμοποιούνται για θερμοκρασίας κορεσμού στην είσοδο του ρεύματος μεταξύ -40 και 7, φθάνοντας στην έξοδο θερμοκρασίες μέχρι 60. Με την προσθήκη μιας δεύτερης βαθμίδας είναι εφικτή η χρήση για εφαρμογές σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μέχρι τους -50. Ο λόγος πίεσης που μπορεί να επιτευχθεί σε μία βαθμίδα ενός συμπιεστή με πτερύγια ανέρχεται μέχρι 10. Η αρχή λειτουργίας τους έγκειται στην εξής διαδικασία: αφού το αέριο εισέλθει στο συμπιεστή ωθείται από τα περιστρεφόμενα πτερύγια να περάσει ανάμεσα από τα διαστήματα που αφήνουν καθώς αυτά περιστρέφονται στο θάλαμο συμπίεσης. Το αέριο συμπιέζεται καθώς οι όγκοι ανάμεσα στα πτερύγια μειώνονται λόγω της εκκεντρότητας του κυλινδρικού κελύφους του θαλάμου και του άξονα. [41] Αφού επιτευχθεί η μέγιστη συμπίεση το αέριο εξέρχεται από το συμπιεστή. Σημειώνεται ότι για να αποφευχθεί η μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας εντός του κύκλου αλλά και για λόγους λίπανσης είναι χρήσιμη ο εντατικός ψεκασμός με κάποιο ψυκτικό μέσο. 81

97 Εικόνα 67: Τομή συμπιεστή με περιστρεφόμενα πτερύγια Οι περιστρεφόμενοι συμπιεστές με κοχλίες ή αλλιώς συμπιεστές δίδυμων κοχλιών (twin screw compressors) χρησιμοποιούν δύο πολυγωνικούς κοχλίες με ελικοειδές σπείρωμα για να εξαναγκάσουν το αέριο να διέλθει μέσω μικρότερου όγκου. Πιο συγκεκριμένα με την κίνηση των δύο κοχλιών δημιουργείται υποπίεση η οποία εξαναγκάζει το αέριο να διέλθει ανάμεσα από τους κοχλίες. Περαιτέρω κίνηση των κοχλιών μετατοπίζει την υποπίεση προς την έξοδο του συμπιεστή και κατ επέκταση μετακινεί το αέριο προς την ίδια κατεύθυνση. Καθώς όμως ο όγκος που υπάρχει ανάμεσα στους κοχλίες μειώνεται προς την έξοδο του συμπιεστή αυξάνεται κατά αυτό τον τρόπο η πίεση του αερίου. Οι συμπιεστές με κοχλίες χρησιμοποιούνται κυρίως για συνεχή λειτουργία σε βιομηχανικές εφαρμογές και είναι άλλες φορές φορητοί και άλλες φορές σταθεροί. Το εύρος εφαρμογών τους κυμαίνεται από μερικά kw μέχρι περίπου 900 kw και από χαμηλές μέχρι σχετικά υψηλές πιέσεις -περί τα 83 bar-. Η μετάδοση της κίνησης γίνεται μέσω ενός κυρίου άξονα που ταυτίζεται με τον άξονα του ενός από τους δύο κοχλίες, ενώ η κίνηση στο δεύτερο κοχλία μεταδίδεται μέσω απλού μειωτήρα. Η ροή του αερίου είναι συνήθως αξονική. Εικόνα 68: Τομή συμπιεστή με δίδυμους κοχλίες 7.3 Συμπιεστές τύπου scroll Οι συμπιεστές αυτού του τύπου χρησιμοποιούν δύο πτερύγια ελικοειδούς σχήματος για την συμπίεση τόσο υγρών όσο και αερίων. Είναι πιο αξιόπιστοι και λιγότεροι θορυβώδεις από άλλους τύπους συμπιεστών για λειτουργίες σε χαμηλές παροχές. Συνήθως, το ένα από τα δύο πτερύγια είναι σταθερό -το άνω πτερύγιο- ενώ το δεύτερο -το κάτω-, το οποίο είναι συνδεδεμένο με τον άξονα της κινητήριας μηχανής, ακολουθεί μία ελλειπτική τροχιά, χωρίς 82

98 όμως να περιστρέφεται, παγιδεύοντας κατά αυτόν τον τρόπο και συμπιέζοντας το αέριο ανάμεσα στις δύο έλικες. Οι δύο έλικες είναι συνεχώς σε επαφή, ωστόσο το σημείο επαφής μετακινείται συνεχώς οδηγώντας το αέριο από την είσοδο προς την έξοδο του συμπιεστή, ενώ παράλληλα ο όγκος του κενού ανάμεσα στις δύο έλικες μειώνεται συνεχώς με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πίεση του αερίου. Η είσοδος του αερίου γίνεται από την περιφέρεια των πτερυγίων και η έξοδος γίνεται από το κέντρο του σταθερού πτερυγίου που φέρει το στόμιο εξόδου του συμπιεστή. [42] Για την ολοκλήρωση μίας πλήρους συμπίεσης απαιτούνται τρεις πλήρεις περιστροφές του άξονα της κινητήριας μηχανής. Χάρη στον πολύ μικρό όγκο ανάμεσα στο σταθερό και στο κινούμενο πτερύγιο, οι συγκεκριμένοι συμπιεστές έχουν πολύ μεγάλο ογκομετρικό βαθμό απόδοσης. [43] Οι ισχείς των συμπιεστών τύπου scroll κυμαίνεται από 0,5 μέχρι 50 kw. Βασικά πλεονεκτήματα των συγκεκριμένων συμπιεστών έναντι των λοιπών περιστρεφόμενων συμπιεστών είναι ότι έχουν συνολικά καλύτερο βαθμό απόδοσης τόσο σε πλήρες όσο και σε μερικό φορτίο, ότι έχουν πολύ λίγα κινούμενα μέρη, με συνέπεια να φθείρονται πολύ λιγότερο, απαιτούν πολύ μικρή ποσότητα ελαίου για την στεγάνωσή τους ενώ δεν εμφανίζουν και έντονους κραδασμούς. Από την άλλη πλευρά, το κύριο μειονέκτημά τους είναι ότι είναι αδύνατο να «λυθούν» στο χώρο όπου χρησιμοποιούνται για λόγους συντήρησης. [44] Εικόνα 69: Τομή συμπιεστή τύπου scroll και στάδια ενός κύκλου συμπίεσης 7.4 Ο συμπιεστής της εγκατάστασης Για τις ανάγκες της εγκατάστασης εξελέγη συμπιεστής τύπου scroll δεδομένου ότι οι απαιτούμενες συνθήκες λειτουργίας είναι οι εξής: Μέγεθος Τιμή Μονάδες Πίεση εισόδου 4,04 bar Πίεση εξόδου 13,02 bar Θερμοκρασία εισόδου 7,5 Θερμοκρασία εξόδου 52,90 Παροχή όγκου στην είσοδο 4,90 Παροχή όγκου στην έξοδο 1,49 Ισχύς 0,84 kw Πίνακας 24: Συνθήκες λειτουργίας συμπιεστή 83

99 Για απλούστευση της διάταξης και αποφυγή της ανάγκης σύζευξης του στροβίλου με τον συμπιεστή σε ένα άξονα, το οποίο θα δημιουργούσε αυτόματα πολλούς περιορισμούς τόσο στη διάταξη όσο και εν γένει στις επιλογές των μηχανημάτων, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ερμητικός συμπιεστής (hermetic compressor), δηλαδή συμπιεστής με ενσωματωμένη την κινητήρια μηχανή και ο συμπιεστής ως εκ τούτου να λειτουργεί ανεξάρτητα από το στρόβιλο. Ο συμπιεστής που εξελέγη είναι προϊόν της εταιρείας Copeland και είναι το μοντέλο ZH15K4E-PFJ, όπως αυτός προέκυψε από το εγχειρίδιο εκλογής συμπιεστή της εν λόγω εταιρείας. Ενδεικτικά παρουσιάζονται παρακάτω τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου: Μέγεθος Τιμή Ισχύς (kw) 1,59 COP 3,22 Συχνότητα (Hz) 50 Βάρος (kg) 25,85 Πίνακας 25: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά συμπιεστή Εικόνα 70: Ο ερμητικός συμπιεστής τύπου scroll ZH15K4E-PFJ Το κατασκευαστικό σχέδιο του ερμητικού συμπιεστή παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας στη σχετική υποενότητα. Σημειώνεται ότι για την πρόσδεση του συμπιεστή στο σκελετό πέραν των κοχλιών και των περικοχλίων για την πρόσδεση της βάσης στο σκελετό, τα οποία έχουν προσμετρηθεί στον σχετικό πίνακα του κεφαλαίου 2, χρειάστηκαν τα εξής στοιχεία: α/α Περιγραφή Ποσότητα 1 Scroll compressor ZH15K4E-PFJ 1 2 Κοχλίας εξαγωνικής κεφαλής M22x Περικόχλιο εξαγωνικής κεφαλής M Βάση 900x520x10 1 Πίνακας 26: Στοιχεία πρόσδεσης συμπιεστή στο σκελετό 84

100 Κεφάλαιο 8: Κύκλωμα νερού 8.1 Εισαγωγή Το κύκλωμα του νερού θα αποτελείται από το λέβητα πελλετών ισχύος 60 kw, όπως έχει ήδη αναφερθεί και βάσει του οποίου έγινε η θερμοδυναμική επίλυση του συστήματος, τον εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης, ο οποίος έχει ήδη διαστασιολογηθεί και τοποθετηθεί στο συγκεντρωτικό σχέδιο με τη διαδικασία που περιγράφηκε αναλυτικά στο Κεφάλαιο 4, τον κυκλοφορητή για την εξασφάλιση της κυκλοφορίας του νερού από το λέβητα προς τον εναλλάκτη και τέλος από τις σχετικές σωληνώσεις για τη διασύνδεση των προαναφερθέντων στοιχείων. Στο παρόν κεφάλαιο, θα εκλεγούν και σχεδιασθούν ο λέβητας και ο κυκλοφορητής, δεδομένου ότι ο μεν εναλλάκτης έχει ήδη σχεδιασθεί, ενώ οι σωληνώσεις θα εκλεγούν στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αφού έχουν εκλεγεί όλα τα λοιπά στοιχεία της εγκατάστασης, ώστε να μπορεί να προσδιορισθεί πιο εύκολα και ευδιάκριτα ο συγκεντρωτικός πίνακας με το σύνολο των απαιτούμενων σωληνώσεων για την κατασκευή και λειτουργία της εγκατάστασης. 8.2 Πελλέτες ξύλου Εικόνα 71: Απλοποιημένο σχεδιάγραμμα κυκλώματος νερού Πριν περιγραφούν κάποια βασικά στοιχεία του λέβητα κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν κάποια βασικές πληροφορίες για το καύσιμο που θα καίγεται εντός του λέβητα, δηλαδή περί των πελλετών. Οι πελλέτες ή αλλιώς συσσωματώματα ή σύμπηκτα είναι ένα στερεό βιοκαύσιμο με συγκεκριμένη σύσταση, χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο και ομογενές σχήμα και μέγεθος. Έχουν τη μορφή μικρών κυλίνδρων μήκους 25 χιλιοστών και διαμέτρου 5-8 χιλιοστά και παρασκευάζονται με την συμπίεση πριονιδίων και υπολειμμάτων ξύλου. Οι πελλέτες καθαρού ξύλου είναι πολύ υψηλής ποιότητας - στάχτη μικρότερη από 0,5% και υγρασία μικρότερη από 8%- εξασφαλίζοντας άριστη καύση, λειτουργία και απόδοση του συστήματος. Εναλλακτικά, από τις πελλέτες καθαρού ξύλου χρησιμοποιούνται πελλέτες που προέρχονται από άλλες πηγές (ενεργειακά φυτά κλπ.) τα 85

101 οποία είναι φθηνότερα και εφόσον δεν περιέχουν ανόργανα στοιχεία έχουν ικανοποιητική απόδοση κατά την καύση τους. [47] Εικόνα 72: Πελλέτες ξύλου Μεγάλο πλεονέκτημα των πελλετών είναι ότι κατά την καύση τους απελευθερώνουν όσο διοξείδιο του άνθρακα έχουν απορροφήσει κατά τη διάρκεια ζωής τους, με αποτέλεσμα να έχουν μηδενικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα, για αυτό το λόγο περιλαμβάνονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς το που εκλύεται κατά την καύση τους απορροφάται από τα φυτά στη διαδικασία ανάπτυξής τους. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα των πελλετών είναι ότι διατίθενται τοπικά, καθιστώντας τα ιδανική επιλογή για αποκεντρωμένα συστήματα. Η διάδοση της χρήσης πελλετών ξύλου έχει δημιουργήσει την ανάγκη προτυποποίησης τους. Για αυτό το σκοπό πολλές χώρες έχουν θεσπίσει συγκεκριμένα πρότυπα κατηγοριοποίησης των πελλετών βάσει της ποιότητάς τους. Πέραν από τα διάφορα εθνικά πρότυπα, τα τελευταία χρόνια γίνεται μία προσπάθεια θέσπισης ενός κοινού ευρωπαϊκού προτύπου για πελλέτες που θα χρησιμοποιηθούν σε εγκαταστάσεις θερμικής ισχύος έως 100 kw, όπου απαιτούνται πολύ αυστηροί περιορισμοί για την ορθή και ασφαλή λειτουργία του συστήματος. Η κατηγοριοποίηση των πελλετών για αυτούς τους σκοπούς γίνεται με βάσει το πρότυπο ΕΝ Στο πίνακα που ακουλουθεί [49] φαίνονται τα βασικά όρια για τις κύριες ιδιότητες των πελλετών βάσει των οποίων γίνεται η αξιολόγηση των πελλετών: Ιδιότητα Μονάδες ENplus-A1 ENplus-A2 EN-B μέτρησης Διάμετρος mm 6 ή 8 Μήκος mm Υγρασία w % a.r. Τέφρα w % w.f. Στερεά w % a.r. σωματίδια Χαμηλή MJ/kg θερμογόνος ικανότητα Πυκνότητα kg/m³ Άζωτο w % w.f. Θείο w % w.f. Χλώριο w % w.f. Θερμοκρασία τήξης τέφρας Πίνακας 27: Βασικές ιδιότητες ταξινόμησης πελλετών βάσει του προτύπου EN

102 8.3 Λέβητας πελλετών Η υψηλή και ταυτόχρονα σταθερή ποιότητα των πελλετών οδηγεί στην ύπαρξη πολλών διαφορών ανάμεσα στις συμβατικές τεχνολογίες καύσης και στην τεχνολογία καύσης των πελλετών. Οι πελλέτες ξύλου χρησιμοποιούνται ως καύσιμη ύλη σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών από οικιακούς λέβητες ονομαστικής ισχύος έως 100 kw, μέχρι μεγάλες εγκαταστάσεις ονομαστικής ισχύος που υπερβαίνει το 1 MW, ενώ χρησιμοποιείται επίσης και σε εγκατάστασης συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, όπως και σε περιπτώσεις μικτής καύσης. Η κατηγοριοποίηση των συστημάτων καύσης πελλετών μικρής κλίμακας (έως 100 kw θερμικά), όπως είναι και ο λέβητας που θα εκλεγεί για τις ανάγκες της εγκατάστασης, γίνεται βάσει του είδους του συστήματος καύσης, του συστήματος τροφοδοσίας και βάσει της διαμόρφωσης του καυστήρα. Βάσει του είδους του συστήματος καύσης διακρίνονται κυρίως δύο κατηγορίες: οι σόμπες πελλετών, που είναι για τοπική χρήση και για μικρές ισχείς, και οι λέβητες κεντρικής θέρμανσης, οι οποίοι με τη σειρά τους διακρίνονται σε δύο υποκατηγορίες: στους λέβητες στους οποίους ο καυστήρας είναι ενσωματωμένος στο λέβητα και σε αυτούς που αποτελεί ξεχωριστό τμήμα. Στη δεύτερη κατηγορία, στο λέβητα κυκλοφορούν μόνο τα καυσαέρια, από τα οποία παραλαμβάνεται και η απαιτούμενη θερμότητα, και στην πλειονότητα των περιπτώσεων αποτελούν περιπτώσεις λεβήτων που έγινε αντικατάσταση του παλιού καυστήρα ώστε να είναι εφικτή η καύση πελλετών. Εικόνα 73: Εξωτερικός καυστήρας πελλετών (αριστερά) και λέβητας με ενσωματωμένο καυστήρα (δεξιά) Από την άλλη πλευρά, οι περισσότεροι λέβητες, συμπεριλαμβανομένου και αυτού που θα εκλεγεί, έχουν ενσωματωμένο τον καυστήρα εντός του λέβητα ώστε να πραγματοποιείται συναλλαγή θερμότητας με το νερό του λέβητα και δια ακτινοβολίας της φλόγας, που συνήθως είναι η κύρια πηγή θερμότητας στο πρώτο τμήμα του λέβητα. Ανάλογα με το σύστημα τροφοδοσίας οι λέβητες πελλετών διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: σε αυτούς που η τροφοδοσία γίνεται από την κάτω πλευρά του καυστήρα (underfeed burners), σε αυτούς που γίνεται οριζόντια τροφοδοσία (horizontally fed burners) και σε αυτούς που η τροφοδοσία πραγματοποιείται από την πάνω πλευρά του καυστήρα (overfeed burners). Στην περίπτωση της τροφοδοσίας από την κάτω πλευρά του καυστήρα, οι πελλέτες μεταφέρονται στην κάτω πλευρά μέσω κάποιου μεταφορικού κοχλία και ωθούνται σταδιακά προς το κέντρο της επιφάνειας του καυστήρα όπως ο κοχλίας προωθεί περαιτέρω καύσιμο. Σε αυτή την περίπτωση ο πρωτεύον αέρας εισέρχεται από τα πλάγια τμήματα του θαλάμου καύσης και ρέει προς τα πάνω όπως και η φλόγα. 87

103 Μεγάλο μειονέκτημα της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι ο κίνδυνος της μη πλήρους καύσης του καυσίμου λόγω ανεπαρκούς ροής του αέρα και της επιστροφής της φλόγας που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο ολόκληρη την εγκατάσταση. Παρόμοια προβλήματα αντιμετωπίζει και η περίπτωση της οριζόντια τροφοδοσίας. Σε αυτήν την περίπτωση, οι πελλέτες εισέρχονται στο θάλαμο καύσης από τα πλάγια μέσω κοχλία, ο δε αέρας διοχετεύεται τόσο κάτω όσο και πάνω από τον καυστήρα. Αντίθετα, με τις προηγούμενες δύο περιπτώσεις στους λέβητες όπου η τροφοδοσία πραγματοποιείται από την πάνω πλευρά του καυστήρα επειδή υπάρχει διαχωρισμός του θαλάμου καύσης από το σύστημα τροφοδοσίας το πρόβλημα της επιστροφής της φλόγας περιορίζεται σημαντικά. Στους λέβητες με τροφοδοσία άνω από τον καυστήρα, το καύσιμο οδηγείται μέσω κοχλία ή μέσω πνευματικού συστήματος σε ένα κεκλιμένο αγωγό από όπου πέφτει λόγω του βάρους του μέσα στον θάλαμο καύσης. Η τροφοδοσία του αέρα γίνεται από την κάτω πλευρά του καυστήρα. Επειδή, όμως με αυτή τη μέθοδο αποφεύγεται η υπερσυσσώρευση καυσίμου στο θάλαμο καύσης πέραν της ακριβούς ποσότητας, υπάρχει αρκετός αέρας για να εξασφαλίζεται η πλήρης καύση των πελλετών. Εικόνα 74: Λέβητας με τροφοδοσία από την άνω πλευρά του λέβητα Αναφορικά με τη διαμόρφωση της εστίας καύσης διακρίνονται δύο μεγάλες κατηγορίες: οι καυστήρες κερατοειδούς κλιβάνου (retort furnaces) και καυστήρες με εσχάρα (grate burners). Στην πρώτη κατηγορία, η τροφοδοσία του καυσίμου γίνεται συνήθως από κάτω, ενώ στις εσχάρες, που είναι και πιο διαδεδομένες, η τροφοδοσία πραγματοποιείται είτε οριζόντια είτε από την άνω πλευρά. Ανάλογα με την περίπτωση οι εσχάρες διακρίνονται σε σταθερές, ατέρμονες εσχάρες και εσχάρες ώσης. Σχετικά με την έναυση στους λέβητες πελλετών, οι μοντέρνοι λέβητες έχουν αυτόματη έναυση συνήθως με τη χρήση ενός ηλεκτροκίνητου ανεμιστήρα θερμού αέρα. Μία καινοτομία σε αυτόν τον τομέα, είναι η χρήση έναυσης με αντιστάτη από καρβίδιο του πυριτίου, ο οποίος σε συνήθεις συνθήκες λειτουργίας φορτίζεται περίπου στους - ενώ δύναται να φθάσει και σε θερμοκρασία μέχρι -.Η λειτουργία αυτού βασίζεται στη θέρμανση του αέρα που διέρχεται περιφερειακά του αντιστάτη και ο οποίος με τη σειρά του προκαλεί την ανάφλεξη των πελλετών. Η χρησιμότητα αυτής της καινοτομίας είναι πιο κατανοητή λαμβάνοντας υπόψη ότι απαιτεί περίπου 275 W για την ανάφλεξη των πελλετών τη στιγμή που το σύστημα με τον ανεμιστήρα απαιτεί περί τα 1600W. [48] 88

104 Εικόνα 75: Αντιστάτης που χρησιμοποιείται για την έναυση σε λέβητες πελλετών Έχοντας αναλύσει κάποια βασικά στοιχεία για τα χαρακτηριστικά του λέβητα πελλετών, που τον διαχωρίζουν από τους κοινούς λέβητες, πλέον μπορούμε να προχωρήσουμε στην τελική εκλογή του λέβητα για τις ανάγκες της εγκατάστασης. Η εκλογή αυτή έχει ως μοναδικούς περιορισμούς το γεγονός πως αναζητείται λέβητας θερμικής ισχύος 60 kw, με πίεση λειτουργίας του νερού 3 bar (ώστε να είναι εφικτή η θερμοκρασία των 100 χωρίς να τεθεί σε κίνδυνο η ορθή λειτουργία του λέβητα) και τέλος με διαστάσεις που να μην υπερβαίνουν τα όρια που έχουν διατεθεί στο σκελετό για το χώρο που θα καταλαμβάνει ο λέβητας, τα οποία είναι 1290x1050 (σε mm). Με βάση αυτά τα δεδομένα επιλέχθηκε το μοντέλο P4 60 της εταιρείας Froling. Παρακάτω δίδονται κάποια βασικά χαρακτηριστικά για το συγκεκριμένο μοντέλο, όπως αυτά παρέχονται από το σχετικό κατάλογο προϊόντων της εταιρείας [50]: Περιγραφή Μονάδες Τιμή μέτρησης Βάρος kg 765 Χωρητικότητα λέβητα σε νερό L 170 Γενικές διαστάσεις (WxDxH) mm 1790x900x1900 Διατομή εξόδου καυσαερίων mm 150 Διατομή σωληνώσεων νερού In 6/4 Διατομή εισόδου αέρα In 1 Καταναλισκόμενη ισχύς στο ονομαστικό φορτίο W 120 Πίνακας 28: Βασικά χαρακτηριστικά λέβητα P4 60 Το σχέδιο με τις βασικές εξωτερικές διαστάσεις του λέβητα δίδεται στο Παράρτημα Α στη σχετική υποενότητα. Εικόνα 76: Τρισδιάστατο σχέδιο με τομή του μοντέλου P

105 η (%) Πέραν από τα στοιχεία που έχουν συνυπολογιστεί στο Κεφάλαιο 3 για την πρόσδεση του λέβητα στο σκελετό χρησιμοποιήθηκαν τα εξής: α/α Περιγραφή Ποσότητα 1 Λέβητας P4 60 Froling 1 2 Κοχλίας εξαγωνικής κεφαλής M12x Περικόχλιο εξαγωνικής κεφαλής M Βάση 1840x950x10 1 Πίνακας 29: Στοιχεία πρόσδεσης λέβητα στο σκελετό Αναφορικά με τον κυκλοφορητή του κυκλώματος του νερού, καθώς για την εκλογή του απαιτούνται να έχουν υπολογιστεί οι απώλειες των σωληνώσεων, η εκλογή του θα γίνει στο κεφάλαιο των σωληνώσεων, αφού πρώτα έχει σχεδιαστεί πλήρως το δίκτυο των σωληνώσεων στο κύκλωμα του νερού. Παρακάτω παρουσιάζεται η ανάλυση ευαισθησίας των διαφόρων βαθμών απόδοσης της εγκατάστασης συναρτήσει του βαθμού απόδοσης του λέβητα. 100 Ανάλυση ευαισθησίας βαθμών απόδοσης εγκατάστασης από βαθμό απόδοσης λέβητα η th,biot η biot η boiler (%) Εικόνα 77: Ανάλυση ευσαισθήσίας β.α εγκατάστασης από β.α λέβητα Όπως είναι αναμενόμενο όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης του λέβητα τόσο μεγαλύτεροι είναι και οι βαθμοί απόδοσης της εγκατάστασης. Στο παραπάνω γράφημα δεν έχουν συμπεριληφθεί οι βαθμοί απόδοσης,, γιατί όπως έχουν οριστεί καθορίζονται μόνο από την ισχύ που εισάγεται στον κύκλο ORC που είναι σταθερή και ίση με 60kW οπότε και αυτά θα παρέμεναν σταθερά ανεξάρτητα από τη μεταβολή του βαθμού απόδοσης του λέβητα. 90

106 Κεφάλαιο 9: Εκτονωτής 9.1 Γενικά Η απόδοση ενός συστήματος ORC εξαρτάται άμεσα από το σύστημα που χρησιμοποιείται για την εκτόνωση του οργανικού μέσου, η οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο βασικές κατηγορίες μηχανών: τις στροβιλομηχανές και τις μηχανές θετικής μετατόπισης. Βασική διαφοροποίηση των δύο κατηγοριών είναι ότι στις μηχανές μετατόπισης η συναλλαγή έργου γίνεται μέσω αλλαγών κατάστασης μιας συγκεκριμένης ποσότητας ρευστού, οι οποίες λαμβάνουν χώρα περιοδικά, μέσα σε κλειστούς χώρους της μηχανής, ενώ στις στροβιλομηχανές οι αλλαγές κατάστασης συμβαίνουν συνεχώς κατά μήκος της διαδρομής του ρευστού. Όπως και στις ψυκτικές εφαρμογές, για συστήματα ORC μικρής κλίμακας οι μηχανές θετικής μετατόπισης (positive displacement machines) αποτελούν πιο ενδεδειγμένη επιλογή, καθότι χαρακτηρίζονται από χαμηλές παροχές, υψηλότερους λόγους πίεσης και πολύ μικρότερες στροφές από τις στροβιλομηχανές. [51] 9.2 Στροβιλομηχανές Ως στροβιλομηχανές (turbomachines) χαρακτηρίζονται οι μηχανές που συναλλάσσουν ενέργεια με το ρευστό το οποίο ρέει συνεχώς μέσα σε αυτές, η δε μεταφορά ενέργεια πραγματοποιείται με την δυναμική αλληλεπίδραση του ρευστού και μιας ή περισσοτέρων σειρών στρεφόμενων πτερυγίων. [52] Διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες στους αξονικούς και τους ακτινικούς στροβίλους. Οι αξονικοί στρόβιλοι διακρίνονται από τους ακτινικούς από το γεγονός ότι πρακτικά δεν παρουσιάζουν μεταβολή της μέσης ακτίνας ροής, με αποτέλεσμα να ενδείκνυνται για πιο μεγάλες παροχές μάζας, ενώ έχουν χαμηλούς λόγους πίεσης ανά βαθμίδα σε σχέση με τους ακτινικούς. Ωστόσο, η απλή μορφή που παρουσιάζει η διαδρομή του ρευστού μέσα στη μηχανή επιτρέπει την χρήση πολλαπλών αξονικών βαθμίδων, μέσω των οποίων επιτυγχάνονται υψηλοί λόγοι πίεσης. Για οργανικούς κύκλους Rankine χαμηλής ή μέσης θερμοκρασίας είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν μονοβάθμιοι αξονικοί στρόβιλοι. Δεδομένου ότι η ταχύτητα διάδοσης του ήχου στα οργανικά μέσα είναι χαμηλή και συνεπώς προσεγγίζεται πολύ πιο γρήγορα έχει σαν αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλών αριθμών Mach, που με τη σειρά τους συνεπάγονται μείωση του βαθμού απόδοσης του στροβίλου. Εικόνα 78: Παραδείγματα αξονικού (αριστερά) και ακτινικού (δεξιά) στροβίλου 91

107 Από την άλλη πλευρά, οι ακτινικοί στρόβιλοι, στους οποίους η δίοδος του ρευστού είναι κάθετη στον άξονα της μηχανής, σχεδιάζονται για μεγάλους λόγους πίεσης και μικρές παροχές. Λόγω της γεωμετρίας τους είναι εφικτή η επίτευξη πιο μεγάλων στροφών. Επιπλέον έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν καλύτερο βαθμό απόδοσης για ένα μεγάλο εύρος μερικών φορτίων. Ένα χαρακτηριστικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι στροβιλομηχανές είναι η ύπαρξη διφασικής ροής στην έξοδο της μηχανής. Η ύπαρξη υγρού καταστρέφει λόγω διάβρωσης τα πτερύγια μειώνοντας σημαντικά την απόδοση της μηχανής και για αυτό το λόγο ένα ποσοστό ξηρότητας τουλάχιστον της τάξης του 90% απαιτείται για την ορθή λειτουργία μιας τέτοιας μηχανής. [52] 9.3 Μηχανές μετατόπισης Οι τρεις βασικές υποκατηγορίες των μηχανών θετικής μετατόπισης είναι οι εκτονωτές με έμβολο (piston expanders), οι ελικοειδείς (scroll expanders), οι εκτονωτές με κοχλία (screw expander) και τους εκτονωτές με πτερύγια (vane expanders). Στους εμβολοφόρους εκτονωτές, ο ίδιος όγκος λειτουργεί διαδοχικά σαν το θάλαμο αναρρόφησης, το θάλαμο εκτόνωσης και το θάλαμο εκρόφησης, ανάλογα με τη θέση των βαλβίδων εισόδου και εξόδου. Σε ένα κύκλο Rankine, οι κινήσεις του εμβόλου διακρίνονται σε τρία στάδια, της αναρρόφησης, της εκτόνωσης και της εκρόφησης. Όταν το έμβολο βρίσκεται στο άνω νεκρό σημείο, η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει και αέριο υψηλής θερμοκρασίας εισέρχεται στο θάλαμο. Όταν το έμβολο φτάσει στο σημείο εκτόνωσης η βαλβίδα κλείνει και καθώς το έμβολο συνεχίζει να κινείται προς το κάτω νεκρό σημείο αρχίζει η εκτόνωση. Στο κάτω νεκρό σημείο ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και το αέριο ωθείται να εξέλθει από το θάλαμο καθώς το έμβολο κινείται προς το άνω νεκρό σημείο. Η διαδικασία αυτή παρουσιάζεται σχηματικά στην εικόνα που ακολουθεί παρακάτω. Εικόνα 79: Τα τρία στάδια λειτουργίας ενός εμβολοφόρου εκτονωτή Στους περιστροφικούς εκτονωτές (οι υπόλοιπες τρεις κατηγορίες εκτός από τους εμβολοφόρους) οι διαδικασίες της αναρρόφησης και της εκρόφησης δεν απαιτούν την ύπαρξη βαλβίδων, αλλά καθορίζονται από την ίδια τη γεωμετρία της μηχανής, κάτι που αποτελεί ένα από τα πλεονεκτήματα αυτών των μηχανών έναντι των εμβολοφόρων. Από την άλλη πλευρά οι εμβολοφόρες μηχανές παρουσιάζουν μικρότερες εσωτερικές απώλειες σε σύγκριση με τις άλλες κατηγορίες. Οι εμβολοφόρες μηχανές επιτυγχάνουν υψηλούς 92

108 λόγους παροχής όγκου εισόδου προς έξοδο με τιμές από 6 έως και 14. Εν γένει οι μηχανές μετατόπισης πλεονεκτούν έναντι των στροβιλομηχανών στο γεγονός ότι για εφαρμογές μικρής ισχύος είναι αρκετά αξιόπιστες, δεν παρουσιάζουν προβλήματα από την παρουσία διφασικής ροής στο εσωτερικό τους και διαθέτουν υψηλό ισεντροπικό βαθμό απόδοσης. Οι εκτονωτές με στρεφόμενο πτερύγιο (rotary vane expanders) αποτελούνται από το κέλυφος, ένα ρότορα, τα κενά για το πτερύγιο και το ίδιο το πτερύγιο, όπως φαίνεται και στην εικόνα 78. Κατά τη λειτουργία αυτής της μηχανής, αέριο υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης εισέρχεται περιοδικά από το στόμιο εισόδου και καθώς εκτονώνεται εντός του θαλάμου προκαλεί την κίνηση του ρότορα της μηχανής. Καθώς κινείται ο ρότορας, αυξάνεται ο όγκος εκτόνωσης και το αέριο κινείται περιφερειακά προς την έξοδο, οπότε και εξέρχεται κατά το τέλος της εκτόνωσης. Αυτοί οι τύποι εκτονωτών διαθέτουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως εύκολη κατασκευή, χαμηλά ποσοστά θορύβου και υψηλούς λόγους εκτόνωσης που φτάνουν και το 10, ενώ είναι και ανθεκτικοί σε εκτόνωση που να περιέχει υγρή φάση, όσο και σε υψηλές πιέσεις. Εικόνα 80: Εκτονωτής με στρεφόμενο πτερύγιο Οι ελικοειδείς εκτονωτές, όπως και αυτός που θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση, είναι συνήθως ελικοειδείς συμπιεστές που χρησιμοποιούνται ανάστροφα. Όπως και όλες οι μηχανές μετατόπισης έχει σταθερό λόγο πίεσης, ωστόσο σε αντίθεση με τις άλλες μηχανές του τύπου έχει ιδιαίτερα πολύπλοκη γεωμετρία. Όπως αναφέρθηκε και στους ελικοειδείς συμπιεστές αποτελείται από μία σταθερή και μία κινούμενη έλικα. Καθότι πρόκειται για την ανεστραμμένη λειτουργία ενός συμπιεστή, το θερμό αέριο εισέρχεται από το κέντρο των δύο ελίκων και κινείται προς το στόμιο εξόδου που είναι στην περιφέρεια της κινούμενης έλικας. Επιτυγχάνουν λόγους πίεσης έως και 11, ενώ ο λόγος της παροχής όγκου εισόδου προς έξοδο μπορεί να πάρει τιμή έως και 4. Εικόνα 81: Στάδια εκτόνωσης σε ένα ελικοειδή εκτονωτή 93

109 Οι μηχανές με κοχλίες χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά από την εταιρεία Lysholm στην περίοδο [54] Κατά τη δεκαετία του 1950 χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σαν συμπιεστές αερίων, ενώ μετά το 1955 άρχισαν να χρησιμοποιούνται και για ψυκτικές εφαρμογές. Η πρώτη αναφορά για χρήση τέτοιων μηχανών σαν εκτονωτές τοποθετείται περί τη δεκαετία του Όπως και στους ελικοειδείς εκτονωτές, η λειτουργία τους στηρίζεται στην ανεστραμμένη λειτουργία συμπιεστών με κοχλία. Καλύπτουν ισχείς από 20 KWe μέχρι 1 MWe, οι δε όγκοι εκτόπισης κυμαίνονται από 25 μέχρι 1100 l/s. Μπορούν να διαχειριστούν λόγους παροχής όγκου εισόδου προς έξοδο έως και 5. Επίσης, όπως και οι ελικοειδείς δεν αντιμετωπίζουν προβλήματα λόγω υγρότητας στο ρεύμα που διέρχεται από το εσωτερικό τους. Εικόνα 82: Παράδειγμα εκτονωτή με κοχλίες 9.4 Ο εκτονωτής της εγκατάστασης Για τις ανάγκες της εγκατάστασης, όπως έχει ήδη αναφερθεί, εξελέγη συμπιεστής τύπου scroll ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί ανάστροφα. Υπενθυμίζεται ότι οι απαιτούμενες συνθήκες λειτουργίας είναι οι εξής: Μέγεθος Τιμή Μονάδες Πίεση εισόδου 34,4 bar Πίεση εξόδου 13,02 bar Θερμοκρασία εισόδου 100 Θερμοκρασία εξόδου 54,00 Παροχή όγκου στην είσοδο 6,08 Παροχή όγκου στην έξοδο 22,09 Ισχύς 4,33 kw Πίνακας 30: Συνθήκες λειτουργίας εκτονωτή Δεδομένου ότι εξελέγη προηγουμένως ερμητικός συμπιεστής, συνεπώς δεν υπάρχει ανάγκη σύζευξης εκτονωτή και συμπιεστή για εξοικονόμηση χώρου επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ερμητικός εκτονωτής (hermetic compressor), δηλαδή εκτονωτής με ενσωματωμένη την κινητήρια μηχανή. Ο εκτονωτής που εξελέγη είναι προϊόν της εταιρείας Copeland και είναι το μοντέλο ZP122KCE-TFD, όπως αυτός προέκυψε από το εγχειρίδιο εκλογής συμπιεστή της εν λόγω 94

110 εταιρείας. Ενδεικτικά παρουσιάζονται παρακάτω τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου: Μέγεθος Τιμή Ισχύς (hp) 10 COP 3,27 Συχνότητα (Hz) 50 Βάρος (kg) 48,81 Μέγιστη ένταση ρεύματος (A) 21,6 Μέγιστη διακινούμενη παροχή ( ) Πίνακας 31: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά εκτονωτή 19,54 Εικόνα 83: Ο ερμητικός συμπιεστής τύπου scroll ZP122KCE Το κατασκευαστικό σχέδιο του εκτονωτή παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας στη σχετική υποενότητα. Η βάση στην οποία προσδέθηκε ο εκτονωτής ταυτίζεται με την βάση του συμπιεστή και αναφέρεται εκ νέου παρακάτω για λόγους πληρότητας και μόνο. Σημειώνεται ότι για την πρόσδεση του συμπιεστή στο σκελετό πέραν των κοχλιών και των περικοχλίων για την πρόσδεση της βάσης στο σκελετό, τα οποία έχουν προσμετρηθεί στον σχετικό πίνακα του κεφαλαίου 2, χρειάστηκαν τα εξής στοιχεία: α/α Περιγραφή Ποσότητα 1 Scroll compressor (expander) ZP122KCE-TFD 1 2 Κοχλίας εξαγωνικής κεφαλής M22x Περικόχλιο εξαγωνικής κεφαλής M Βάση 900x520x10 1 Πίνακας 32: Στοιχεία πρόσδεσης συμπιεστή στο σκελετό Σημειώνεται ότι για την πλήρη και ορθή λειτουργία του συμπιεστή σαν εκτονωτής στις ζητούμενες συνθήκες απαιτούνται πρόσθετες διορθώσεις από μηχανουργείο ή την κατασκευάστρια, ώστε να αντέξει την πίεση εισόδου και την υψηλή θερμοκρασία, αλλά και μία ρύθμιση ώστε να μην αντιμετωπίζει προβλήματα με την παροχή όγκου στην έξοδο του. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας, οι διορθώσεις αυτές δεν θα ληφθούν υπόψη στο κατασκευαστικό σχέδιο καθώς ξεφεύγει από το κύριο αντικείμενο μελέτης. 95

111 Κεφάλαιο 10: Σωληνώσεις και λοιπά εξαρτήματα εγκατάστασης Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο που είναι και το τελευταίο της παρούσας εργασίας θα γίνει η εκλογή των σωληνώσεων της εγκατάστασης, του κυκλοφορητή του κυκλώματος του λέβητα (που απαιτεί τον προσδιορισμό των απωλειών πίεσης του κυκλώματος για να εκλεγεί) καθώς και της στραγγαλιστικής βαλβίδας. Μετρητικά στοιχεία δεν θα τοποθετηθούν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας καθώς παρεκκλίνουν του κυρίου αντικειμένου, ωστόσο θα μπορούσε να αποτελέσει αντικείμενο κάποιας περαιτέρω εξειδίκευσης ή κάποιας άλλης διπλωματικής εργασίας Σωληνώσεις Η εκλογή των διαμέτρων των σωληνώσεων κάθε κλάδου θα γίνει λαμβάνοντας υπόψη τις τυποποιημένες εσωτερικές διαμέτρους του εμπορίου καθώς και τη συνθήκη ώστε να μην υπάρχει πρόβλημα θορύβου στην εγκατάσταση. Για αυτό το λόγο, αποδεκτές θα γίνουν μόνο οι διάμετροι στις οποίες η ταχύτητα του ρευστού δεν θα υπερβαίνει: για υγρή φάση ή για διφασική ροή και για αέρια φάση Για να υπολογιστεί η ταχύτητα του ρευστού πρέπει να προσδιοριστεί πρώτα το εμβαδόν A της διατομής για την εκάστοτε τυποποιημένη διάμετρο και κατόπιν να διαιρεθεί η παροχή όγκου στην εκάστοτε θέση με το εμβαδό αυτό για να προκύψει η ταχύτητα: Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι πιο βασικές τυποποιημένες εσωτερικές διάμετροι και τα αντίστοιχα εμβαδά της διατομής τους: Διάμετρος Εμβαδόν διατομής (mm²) (in) (mm) 1/2 12, ,68 5/8 15, ,93 3/4 19, ,02 7/8 22, , , ,70 1 1/8 28, ,30 1 1/4 31, ,73 1 1/2 38, ,09 Πίνακας 33: Τυποποιημένες διάμετροι σωληνώσεων 96

112 Έχοντας πλέον τα εμβαδά μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα σε κάθε θέση για κάθε πιθανή διατομή. Προτού γίνει αυτό παρουσιάζεται εκ νέου το σχεδιάγραμμα της εγκατάστασης για να γίνει μια υπενθύμιση της αντιστοίχισης των σημείων με τις εκάστοτε θέσεις, ενώ συμπεριλαμβάνονται και οι διατομές των στομίων εισόδου και εξόδου του κάθε στοιχείου ώστε να μπορεί να γίνει η εκλογή. Οι διατομές των στοιχείων θα ληφθούν σοβαρά υπόψη εφόσον οι αντίστοιχες διατομές δεν υπερβαίνουν τα όρια που έχουν τεθεί για τις ταχύτητες της ροής, καθώς οι αλλαγές διατομής προσθέτουν επιπλέον απώλειες στο σύστημα και αποφεύγονται όποτε είναι αυτό δυνατό. Εικόνα 84: Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης με τις διατομές των στομίων των στοιχείων του συστήματος Ακολουθεί ο πίνακας με τις ταχύτητες της ροής σε κάθε θέση για την εκάστοτε τυποποιημένη εσωτερική διάμετρο: α/α V (m³/h) V(m/s) για την εκάστοτε τυποποιημένη διάμετρο 1/2 5/8 3/4 7/ /8 1 1/4 1 1/2 1 4,896 10,735 6,870 4,771 3,505 2,684 2,121 1,718 1, ,487 3,260 2,087 1,449 1,065 0,815 0,644 0,522 0, ,744 3,825 2,448 1,700 1,249 0,956 0,756 0,612 0, ,916 4,202 2,689 1,868 1,372 1,051 0,830 0,672 0, ,633 3,581 2,292 1,592 1,169 0,895 0,707 0,573 0,398 5α 1,633 3,581 2,292 1,592 1,169 0,895 0,707 0,573 0, ,611 3,533 2,261 1,570 1,154 0,883 0,698 0,565 0, ,611 3,533 2,261 1,570 1,154 0,883 0,698 0,565 0, ,078 13,328 8,530 5,924 4,352 3,332 2,633 2,133 1, ,094 48,448 31,007 21,532 15,820 12,112 9,570 7,752 5, ,094 48,448 31,007 21,532 15,820 12,112 9,570 7,752 5, ,581 51,708 33,093 22,982 16,884 12,927 10,214 8,273 5,745 97

113 wbioin 4,306 9,442 6,043 4,169 3,083 2,360 1,865 1,511 1,049 wbioout 4,265 9,351 5,985 4,156 3,054 2,338 1,847 1,496 1,039 wcondin 2,631 5,769 3,692 2,564 1,884 1,442 1,140 0,923 0,641 wcondout 2,647 5,804 3,714 2,579 1,895 1,451 1,146 0,929 0,645 wevapin 1,034 2,268 1,451 1,008 0,740 0,567 0,448 0,363 0,252 wevapout 1,034 2,267 1,451 1,007 0,740 0,567 0,448 0,363 0,252 Πίνακας 34: Ταχύτητες ροής για διάφορες τυποποιημένες διαμέτρους ανά σημείο Λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες που αναφέρθηκαν παραπάνω (υπενθυμίζεται ότι αέρια φάση έχουμε στα σημεία 1,2,8,9,10 και 11) και τις διατομές των στομίων των στοιχείων που συνδέονται με τον εκάστοτε κλάδο επιλέχθησαν οι κάτωθι διατομές ανά σημείο: α/α V(m/s) Διάμετρος (in) 1 3,505 7/8 2 1,065 7/8 3 1,249 7/8 4 1,372 7/8 5 1,169 7/8 5α 0, /8 6 1,570 7/8 7 1,570 7/8 8 5,924 7/8 9 7, /4 10 7, /4 11 8, /4 wbioin 1, /4 wbioout 1, /4 wcondin 1, /4 wcondout 1, /4 wevapin 0,740 7/8 wevapout 0,740 7/8 Πίνακας 35: Τελικές διάμετροι ανά κλάδο και αντίστοιχες ταχύτητες ροής Όπως είναι προφανές, για την σύνδεση των στοιχείων με τις σωληνώσεις των οποίων τις διατομές προσδιορίσαμε παραπάνω, απαιτούνται και κάποια συνδετικά εξαρτήματα καθώς αφενός δεν συμπίπτουν όλες οι διατομές των σωληνώσεων με τα στόμια που θα συνδεθούν, ενώ καθώς δεν είναι και όλα τα στόμια που θα επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω των σωληνώσεων στο ίδιο επίπεδο θα χρειαστούν και κάποιες γωνίες. Επιπλέον, για τις περιπτώσεις των δύο κλάδων απαιτείται αφενός μία βάνα που θα καθορίζει την ποσότητα του ρευστού που θα διοχετεύεται στον ψυκτικό κύκλο και ένα ταυ για τον διαχωρισμό των ρευμάτων, όπως επίσης και ένα ταυ για την εκ νέου ανάμειξη των δύο κλάδων πριν το συμπυκνωτή. Δεδομένου ότι οι σωληνώσεις που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι χαλκοσωλήνες, κατ αντιστοιχία και τα συνδετικά εξαρτήματα θα είναι από χαλκό. Οι βασικές διαστάσεις όλων των στοιχείων είναι σύμφωνα με τον κανονισμό ASME B16.15 [55] σε συνδυασμό με στοιχεία από κατασκευαστές. Ενδεικτικά παρουσιάζονται παρακάτω εικόνες των στοιχείων 98

114 που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνδεση των στομίων με τις σωληνώσεις. Σημειώνεται ότι για τη σύνδεση μεταξύ των σωληνώσεων και με τις γωνίες πραγματοποιήθηκε συγκόλληση με ραφή τύπου Χ. Εικόνα 85: Γωνία 90 μοιρών Εικόνα 86: Ταυ για διακλαδώσεις Εικόνα 87: Συνδετικό μέσο με σπείρωμα στη μία πλευρά (μαστός) Εικόνα 88: Συνδετικό μέσο με εσωτερικό σπείρωμα στη μία πλευρά (μούφα) Εικόνα 89: Συνδετικό μέσο για μείωση διατομής σωλήνωσης Εικόνα 90: Βάνα για έλεγχο της ροής Μετά την ολοκλήρωση της εκλογής και σχεδιασμού του συνόλου της εγκατάστασης θα παρουσιασθεί ένας συγκεντρωτικός πίνακας με το σύνολο των τεμαχίων που χρησιμοποιήθηκαν από καθένα από τα παραπάνω στοιχεία. Για να εκλεγεί ο κυκλοφορητής του κυκλώματος του νερού πρέπει να γίνει ένας πρώτος σχεδιασμός των σωληνώσεων, ώστε να μπορεί να υπολογιστεί το ισοδύναμο μήκος σωληνώσεων και κατ επέκταση η πτώση πίεσης σε στήλες ύδατος. Στον πίνακα που ακολουθεί στην επόμενη σελίδα παρουσιάζονται στα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη συγκρότηση του κυκλώματος του νερού από το λέβητα προς τον εναλλάκτη και πίσω στο λέβητα. 99

115 α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 1 ¼ 9 2 Ένσφαιρη βαλβίδα 1 3 Ταυ διατομής 1 ¼ 1 4 Μούφα διατομής 1 ¼ 2 5 Μούφα αλλαγής διατομής 1 ¼ x 1 1/8 2 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 75mm 2 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 1350mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 1005mm 1 9 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 575mm 1 10 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 310mm 1 11 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 525mm 1 12 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 485mm 1 13 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 715mm 1 14 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 400mm 1 15 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 495mm 1 16 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 545mm 1 17 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 245mm 1 18 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 90mm Κυκλοφορητής Πίνακας 36: Εξαρτήματα σωληνώσεων κυκλώματος νερού Για την εκλογή του κυκλοφορητή, έχοντας προσδιορίσει το σύνολο των εξαρτημάτων που απαιτούνται για τη συγκρότηση του κυκλώματος στο οποίο θα χρησιμοποιηθεί ο κυκλοφορητής, θα ακολουθηθεί η διαδικασία που περιγράφεται στο εγχειρίδιο εκλογής της κατασκευάστριας εταιρείας Taco [56]. Σύμφωνα με το πρώτο βήμα της διαδικασίας εκλογής, υπολογίζεται η μέση παροχή στο κύκλωμα σε αγγλοσαξονικές μονάδες, καθώς τα διαγράμματα εκλογής είναι σε αυτές τις μονάδες. Για αυτό τον υπολογισμό, απαιτούνται η συνολική θερμική ισχύς που διακινείται στο κύκλωμα σε Btu/hr και η πτώση θερμοκρασίας λόγω του εναλλάκτη σε βαθμούς F. Έπειτα πρέπει να προσδιορισθεί η διατομή των σωληνώσεων του κυκλώματος, που ήδη έχουμε εκλέξει να είναι ίση με 1 ¼. Στο τρίτο βήμα, προσδιορίζεται το ισοδύναμο μήκος της σωλήνωσης σύμφωνα με τα εξαρτήματα που έχουν καταγραφεί στον πίνακα 36 και τα στοιχεία που δίδει στους σχετικούς πίνακες ο κατασκευαστής: 100

116 Έχοντας πλέον υπολογίσει το ισοδύναμο μήκος σωλήνωσης, είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε το ύψος πτώσης για το συγκεκριμένο κύκλωμα (οι τιμές για του συντελεστές λαμβάνονται από τους αντίστοιχους πίνακες που δίδονται στο εγχειρίδιο του κατασκευαστή): Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα του κατασκευαστή που ακολουθεί ο κυκλοφορητής που εκλέγεται για τις συγκεκριμένες ανάγκες είναι το μοντέλο L1130 στα 50 Hz. Εικόνα 91: Διάγραμμα εκλογής κυκλοφορητή εταιρείας Taco Κάποια βασικά πρόσθετα στοιχεία λειτουργίας, όπως δίδονται από τον κατάλογο προϊόντων του κατασκευαστή [57], είναι τα εξής: Μέγεθος Τιμή Βάρος 5,5 Ισχύς 92 Μέγιστη πίεση λειτουργίας 13,79 Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 110 Ονομαστική ένταση ρεύματος 0,8 Πίνακας 37: Πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά κυκλοφορητή Το κατασκευαστικό σχέδιο με τις βασικές διαστάσεις του κυκλοφορητή παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α στη σχετική υποενότητα. Σημειώνεται ότι για τη σύνδεση του κυκλοφορητή με τις σωληνώσεις χρησιμοποιήθηκαν δύο φλάντζες για διάμετρο 1 ¼ και τέσσερις κοχλίες 101

117 Μ20x50 με τα αντίστοιχα περικόχλια. Οι διαστάσεις για τις βάνες που χρησιμοποιήθηκαν στο κύκλωμα του νερού όπως και για τις λοιπές βάνες που χρησιμοποιήθηκαν στην εγκατάσταση ελήφθησαν από σχετικό κατάλογο κατασκευάστριας εταιρείας. [58] 10.3 Εκτονωτική βαλβίδα Επόμενο ζητούμενο είναι η εκλογή της εκτονωτικής βαλβίδας που είναι και το τελευταίο εξάρτημα πλην των σωληνώσεων που δεν έχει εκλεγεί, ώστε να μπορεί να ολοκληρωθεί και η σύνδεση με σωληνώσεις του ψυκτικού κυκλώματος. Ο πιο συνηθισμένος τύπος εκτονωτικής βαλβίδας, και ο τύπος που θα χρησιμοποιηθεί στην συγκεκριμένη εγκατάσταση, είναι οι βαλβίδες θερμικής εκτόνωσης (thermal expansion valves). Το μοντέλο που εξελέγη για τις ανάγκες του συστήματος είναι της εταιρείας Emerson Climates και είναι το ΑΑ 1 ton με συνδέσεις 3/8 x 1/2. [59] Το κατασκευαστικό σχέδιο της εκτονωτικής βαλβίδας με τις βασικές διαστάσεις της παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α της εργασίας Λοιπά στοιχεία σωληνώσεων Παρακάτω παρουσιάζονται ανά κλάδο τα εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την σύζευξη των στοιχείων της εγκατάστασης: Κλάδος τροφοδοτικού δοχείου-φίλτρου-αντλίας α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 1 1/8 5 2 Μούφα διατομής 1 1/8 4 3 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 80mm 2 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 165mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 130mm 1 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 370mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 50mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 60mm 1 9 Μαστός διατομής 1 1/8 x 1 1 Κλάδος εκτονωτή-συμπυκνωτή Πίνακας 38: Εξαρτήματα κλάδου τροφοδοτικού δοχείου-αντλίας α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 1 ¼ 2 2 Μούφα διατομής 1 ¼ 2 3 Γωνία 45 διατομής 1 ¼ 2 4 Ταυ διατομής 1 ¼ x 1 ¼ και 7/8 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ κυρτή κατά 14 μήκους 1 95x335mm 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 80mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 145mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 ¼ μήκους 100mm 1 9 Σωλήνωση χαλκού διατομής 1 1/8 μήκους 120mm 1 10 Μούφα διατομής 1 ¼ x 1 1/8 1 Πίνακας 39: Εξαρτήματα κλάδου εκτονωτή-συμπυκνωτή 102

118 Κλάδος αντλίας-εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 4 2 Μούφα διατομής 7/8 1 3 Μαστός διατομής 7/8 x ¾ 1 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 125mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 250mm 1 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 120mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 420mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 175mm 1 Πίνακας 40: Εξαρτήματα κλάδου αντλίας- εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης Κλάδος εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης- εκτονωτή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 3 2 Μούφα διατομής 7/8 2 3 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 85mm 1 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 1070mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 170mm 1 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 205mm 1 Πίνακας 41: Εξαρτήματα κλάδου εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης- εκτονωτή Κλάδος συμπυκνωτή-τροφοδοτικού δοχείου-ατμοποιητή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 8 2 Μούφα διατομής 7/8 3 3 Μαστός 7/8 x 3/8 1 4 Μαστός 7/8 x 1/2 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 405mm 2 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 285mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 560mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 345mm 1 9 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 385mm 1 10 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 175mm 1 11 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 315mm 1 12 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 300mm 1 13 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 80mm 1 14 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 965mm 1 15 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 220mm 1 16 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 70mm 1 Πίνακας 42: Εξαρτήματα κλάδου συμπυκνωτή-τροφοδοτικού δοχείου-ατμοποιητή Κλάδος ατμοποιητή-συμπιεστή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 4 2 Γωνία 45 διατομής 7/8 1 3 Μούφα διατομής 7/

119 4 Μούφα διατομής 7/8 x 3/4 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 50mm 1 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 40mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 255mm 1 8 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 62,5mm 1 9 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 475mm 1 Κλάδος συμπιεστή-συμπυκνωτή Πίνακας 43: Εξαρτήματα κλάδου ατμοποιητή-συμπιεστή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 3 2 Μούφα διατομής 7/8 1 3 Μούφα διατομής 7/8 x 1/2 1 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 90mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 150mm 1 6 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 345mm 1 7 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 75mm 1 Κύκλωμα νερού ατμοποιητή Πίνακας 44: Εξαρτήματα κλάδου συμπιεστή-συμπυκνωτή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 2 2 Μούφα διατομής 7/8 2 3 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 70mm 3 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 80mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 150mm 1 6 Ένσφαιρη βαλβίδα 1 Κύκλωμα νερού συμπυκνωτή Πίνακας 45: Εξαρτήματα κυκλώματος νερού ατμοποιητή α/α Περιγραφή Τεμάχια 1 Γωνία 90 διατομής 7/8 2 2 Μούφα διατομής 7/8 2 3 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 70mm 3 4 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 80mm 1 5 Σωλήνωση χαλκού διατομής 7/8 μήκους 130mm 1 6 Ένσφαιρη βαλβίδα 1 Πίνακας 46: Εξαρτήματα κυκλώματος νερού συμπυκνωτή Με τα παραπάνω ολοκληρώθηκε και η εκλογή των στοιχείων των σωληνώσεων που ήταν και το τελευταίο στάδιο για την εκπόνηση του συγκεντρωτικού κατασκευαστικού σχεδίου της εγκατάστασης. Δεδομένου ότι η τοποθέτηση των μηκών των σωληνώσεων ήταν πρακτικά ανέφικτη στο σχέδιο καθώς θα συνεπαγόταν μία πληθώρα διαστάσεων σε ένα πολύ πυκνό ούτως ή άλλως σχέδιο, προτιμήθηκε οι διαστάσεις των σωληνώσεων να δοθούν υπό τη μορφή μονογραμμικών σχεδίων ανά κλάδο. Κατά αυτό τον τρόπο οι διαστάσεις των σωληνώσεων που αναφέρθηκαν στους άνωθεν πίνακες αντιστοιχούν στις θέσεις που φαίνονται στο μονογραμμικό σχέδιο ως άλλο υπόμνημα για την ταυτοποίηση 104

120 της εκάστοτε σωλήνωσης στο κατασκευαστικό σχέδιο της εγκατάστασης που υπάρχει στο Παράρτημα Α-. Εικόνα 92: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού λέβητα Εικόνα 93: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου τροφοδοτικού δοχείου-φίλτρου-αντλίας 105

121 Εικόνα 94: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου εκτονωτή-συμπυκνωτή Εικόνα 95: : Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου αντλίας-εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασης Εικόνα 96: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου εναλλάκτη υπερκρίσιμης κατάστασηςεκτονωτή 106

122 Εικόνα 97: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου συμπυκνωτή-τροφοδοτικού δοχείουατμοποιητή Εικόνα 98: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου ατμοποιητή-συμπιεστή Εικόνα 99: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κλάδου συμπιεστή-συμπυκνωτή 107

123 Εικόνα 100: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού ατμοποιητή Εικόνα 101: Μονογραμμικό σχέδιο με μήκη σωληνώσεων κυκλώματος νερού συμπυκνωτή 108

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Συναρμολόγηση εγκατάστασης και συμπεράσματα 11.1 Συναρμολόγηση εγκατάστασης Κατά την εκλογή του εκάστοτε στοιχείου καταγράφηκαν αναλυτικά και τα εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνδεση του στοιχείου με το σκελετό. Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζονται οι σχετικές θέσεις των στοιχείων επί του σκελετού για την καλύτερη κατανόηση των κατασκευαστικών σχεδίων που παρουσιάζονται αναλυτικότερα στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας, και στα οποία απουσιάζουν οι αριθμήσεις που εμφανίζονται κάτωθι ώστε να είναι λιγότερο πυκνό το σχέδιο. Εικόνα 102: Πρόοψη εγκατάστασης με σχετική αρίθμηση που προσδιορίζει τη θέση του εκάστοτε στοιχείου Σημειώνεται ότι ζητούμενο των σχεδίων όπως παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο είναι να καταστεί σαφής η θέση του κάθε στοιχείου στην εκάστοτε όψη. Η παρουσίαση των όψεων του τελικού σχεδίου πραγματοποιείται στο Παράρτημα Α της παρούσας εργασίας. 109

125 Εικόνα 103: Κάτοψη της εγκατάστασης σε τομή Α-Α Εικόνα 104: Κάτοψη της εγκατάστασης σε τομή Β-Β' 110

126 Εικόνα 105: Δεξιά πλάγια όψη εγκατάστασης 111

127 Εικόνα 106: Τομή εγκατάστασης Δ-Δ' 112

128 Εικόνα 107: Αριστερά πλάγια όψη εγκατάστασης 113

129 Εικόνα 108: Τομή εγκατάστασης Γ-Γ' α/α Στοιχείο 1 Σκελετός 2 Ατμοποιητής 3 Συμπυκνωτής 4 Υπερκρίσιμος εναλλάκτης 5 Ηλεκτροκινητήρας αντλίας 6 Αντλία 7 Τροφοδοτικό δοχείο 8 Φίλτρο 9 Συμπιεστής 10 Λέβητας 11 Εκτονωτής 12 Σωληνώσεις 13 Εκτονωτική βαλβίδα 14 Κυκλοφορητής Πίνακας 47: Υπόμνημα σχεδίου 114

130 11.2 Συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντικές εργασίες Η ανάλυση που παρουσιάστηκε παραπάνω οδήγησε στο κατασκευαστικό σχέδιο που παρουσιάστηκε συνοπτικά στην προηγούμενη υποενότητα και αναλυτικότερα στο Παράρτημα Α. Βάσει αυτού και των αποτελεσμάτων των υπολογισμών του Κεφαλαίου 2, συμπεραίνουμε ότι η εγκατάσταση που σχεδιάστηκε είναι συμφέρουσα από θερμοδυναμικής άποψης, ενώ και οι διαστάσεις της είναι σε λογικά πλαίσια καθιστώντας το εφικτό να εγκατασταθεί σε χώρο με τις σχετικές ενεργειακές απαιτήσεις. Ο βαθμός απόδοσης που επετεύχθη, δεδομένου ότι πρόκειται για υπερκρίσιμο κύκλο, είναι άκρως ικανοποιητικός. Αντίστοιχα, η ψυκτική ισχύς που δύναται η εν λόγω εγκατάσταση να παράξει είναι επαρκής για τις ανάγκες ενός χώρου, ενώ και η ηλεκτρική ισχύς είναι σε τέτοια επίπεδα ώστε να καταναλώνεται συνεχώς από τις ανάγκες του εκάστοτε χώρου, καθιστώντας αρκετά συμφέρουσα την όλη εγκατάσταση. Για την πληρότητα της μελέτης της συγκεκριμένης διάταξης προτείνονται τα εξής θέματα για μελλοντικές εργασίες: τεχνοοικονομική μελέτη της εγκατάστασης, για υπολογισμό του χρόνου απόσβεσης της συγκεκριμένης διάταξης αναπροσαρμογή του κύκλου με χρήση λέβητα θερμικού ελαίου που θα επιτρέπει την χρήση και οργανικών μέσων με υψηλότερο κρίσιμο σημείο από αυτά που ελέχθησαν στην παρούσα εργασία σχεδιασμός συστήματος τριπαραγωγής με υποκρίσιμο κύκλο για οικιακή χρήση μελέτη της σύζευξης της εγκατάστασης με κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών 115

131 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: Σχέδια της εγκατάστασης Α.1 Σκελετός Εικόνα 109: Πρόοψη σκελετού εγκατάστασης 116

132 Εικόνα 110: Κάτοψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Α-Α Εικόνα 111: Κάτοψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Β-Β' 117

133 Εικόνα 112: Δεξιά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης 118

134 Εικόνα 113: Αριστερά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης 119

135 Εικόνα 114: Δεξιά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Δ-Δ' 120

136 Εικόνα 115: Αριστερά πλάγια όψη σκελετού εγκατάστασης σε τομή Γ-Γ' 121

137 Α.2 Ατμοποιητής Εικόνα 116: Πρόοψη του ατμοποιητή με βασικές διαστάσεις 122

138 Εικόνα 117: Δεξιά πλάγια όψη του ατμοποιητή 123

139 Εικόνα 118: Κάτοψη του ατμοποιητή 124

140 Α.3 Συμπυκνωτής Εικόνα 119: Πρόοψη του συμπυκνωτή 125

141 Εικόνα 120: Δεξιά πλάγια όψη του συμπυκνωτή 126

142 Εικόνα 121: Κάτοψη του συμπυκνωτή 127

143 Α.4 Εναλλάκτης «υπερκρίσιμης κατάστασης» Εικόνα 122: Πρόοψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" 128

144 Εικόνα 123: Δεξιά πλάγια όψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" 129

145 Εικόνα 124: Κάτοψη του εναλλάκτη "υπερκρίσιμης κατάστασης" 130

146 Α.5 Αντλία κυκλώματος ORC Εικόνα 125: Κατασκευαστικό σχέδιο αντλίας D-10-X 131

147 Α.6 Αντικραδασμικά βάσης αντλίας Εικόνα 126: Αντικραδασμικά πέλματα Stabiflex 132

148 Α.7 Ηλεκτροκινητήρας αντλίας σε σύζευξη με το κόπλερ Εικόνα 127: Κατασκευαστικό σχέδιο ηλεκτροκινητήρα αντλίας όντας συζευγμένος με το κόπλερ που εξελέγη 133

149 Α.8 Τροφοδοτικό δοχείο Εικόνα 128: Κατασκευαστικό σχέδιο τροφοδοτικού δοχείου 134

150 Α.9 Φίλτρο Εικόνα 129: Κατασκευαστικό σχέδιο του φίλτρο 135

151 Α.10 Συμπιεστής Εικόνα 130: Κατασκευαστικό σχέδιο συμπιεστή 136

152 Α.11 Λέβητας πελλετών Εικόνα 131: Κατασκευαστικό σχέδιο με τις βασικές διαστάσεις του λέβητα 137

153 A.12 Εκτονωτής Εικόνα 132: Κατασκευαστικό σχέδιο εκτονωτή όπως δίδεται από τον κατασκευαστή 138

154 Α.13 Κυκλοφορητής Εικόνα 133: Κατασκευαστικό σχέδιο κυκλοφορητή L1130 της εταιρείας Taco για σωλήνωση 1 ¼ 139

155 Α.14 Εκτονωτική βαλβίδα Εικόνα 134: Κατασκευαστικό σχέδιο εκτονωτικής βαλβίδας 140

156 Α.15 Συγκεντρωτικό σχέδιο εγκατάστασης Εικόνα 135: Συγκεντρωτικό σχέδιο εγκατάστασης με όλες τις όψεις για καλύτερη κατανόηση των σχετικών θέσεων κάθε όψης που θα παρουσιασθούν στις επόμενες σελίδες 141

157 Εικόνα 136: Πρόοψη εγκατάστασης 142

158 Εικόνα 137: Κάτοψη εγκατάστασης σε τομή Α'-Α 143

159 Εικόνα 138: Κάτοψη εγκατάστασης σε τομή Β-Β' 144

160 Εικόνα 139: Δεξιά πλάγια όψη εγκατάστασης 145

161 Εικόνα 140: Τομή εγκατάστασης Δ-Δ' 146

162 Εικόνα 141: Αριστερά πλάγια όψη εγκατάστασης 147

163 Εικόνα 142: Τομή εγκατάστασης Γ-Γ' 148