ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ και ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ και ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE Αναστάσιος Χαρίτος ΑΕΜ: 384 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Λεωνίδας Ντζιαχρήστος ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ : Λεωνίδας Ντζιαχρήστος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΛΙΟΣ 01

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Επ. Καθ. Λεωνίδας Ντζιαχρήστος Επ. Καθ. Λεωνίδας Ντζιαχρήστος 7. Τίτλος εργασίας: Ενεργειακή και οικονομική αξιολόγηση συστημάτων Οργανικού Κύκλου Rankine 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: 9. Αριθμός μητρώου: Αναστάσιος Χαρίτος Θεματική περιοχή: 11. Ημερομηνία έναρξης: 1. Ημερομηνία παράδοσης: 13. Αριθμός εργασίας: Θερμοδυναμική 06/09/011 /06/01 1.DI.0031.V1 14. Περίληψη: 15. Στοιχεία εργασίας: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των δυνατοτήτων ενεργειακής εξοικονόμησης μέσω διαφόρων κυκλωμάτων ORC σε εφαρμογές ΜΕΚ. Αρ. Σελίδων: 119 Στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάγκη αξιοποίησης των αποβαλλόμενων ποσών θερμότητας, ιδίως από μία ΜΕΚ, της οποίας αποτελούν περίπου τα ⅔ της ενέργειας του καυσίμου. Στο ο κεφάλαιο γίνεται μια γενική παρουσίαση του ORC καθώς και των διάφορων κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται κατά την εφαρμογή τους σε μια ΜΕΚ. Επίσης, κατηγοριοποιούνται τα εργαζόμενα οργανικά μέσα και αναφέρονται οι κατασκευαστές κυκλωμάτων ORC. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται η θερμοδυναμική και οικονομική προσέγγιση των τεσσάρων εξεταζόμενων κυκλωμάτων ORC (απλού κύκλου, υπερκρίσιμου, με αναγέννηση και με την χρησιμοποίηση δύο διαφορετικών πηγών θερμότητας). Στο 4ο κεφάλαιο δίνονται τα αποτελέσματα από την εφαρμογή των τεσσάρων κυκλωμάτων σε έναν κινητήρα φυσικού αερίου της MAN. Οι ιδιότητες των εξεταζόμενων οργανικών ρευστών εξάχθηκαν από τη βάση δεδομένων RefProp του NIST. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εργασία. Αρ. Διαγραμμάτων: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: Αρ. Εικόνων: 113 Αρ. Πινάκων: 50 Αρ. Παραρτημάτων: Αρ. Παραπομπών: 16. Λέξεις κλειδιά: ORC, ΜΕΚ, waste heat recovery, combined heat and power, bsfc, net power, θερμικός βαθμός απόδοσης, εξεργειακός βαθμός απόδοσης 17. Σχόλια: 19. Βαθμός:

3 Πρόλογος Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την εγκατάσταση Οργανικού Κύκλου Rankine σε μια ΜΕΚ. Σκοπός της είναι να διερευνηθεί η επίδραση διαφόρων οργανικών κύκλων στην απόδοση ενός κινητήρα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Επίκουρο Καθηγητή κ. Λεωνίδα Ντζιαχρήστο για τη καθοδήγηση και τη βοήθεια του κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Την εργασία αυτή αφιερώνω στη σύζυγο μου Εύα και στα παιδιά μου Γιώργο και Ελένη, για την αμέριστη συμπαράσταση τους σε όλη την διάρκεια των σπουδών μου. i

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ σελ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ORC Εισαγωγή Συνδυασμός Θερμότητας και Ισχύς (CHP) Οργανικός Κύκλος Rankine (ORC) Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Σύστημα ORC σε κινητήρες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος Σύστημα ORC σε κινητήρες οχημάτων Εργαζόμενο μέσο...6. Κατασκευαστές. 3. ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ KAI ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Εμβολοφόρες Μηχανές Στοιχεία ORC Αντλία Εξατμιστής Εκτονωτής Συμπυκνωτής Αναγεννητής Χρησιμοποίηση δύο πηγών θερμότητας Οργανικοί Κύκοι Rankine (ORC) Απλός ORC ORC με αναγέννηση Υπερκρίσιμος ORC ORC με την χρήση δυο πηγών θερμότητας Κατανόηση του ORC Οικονομική Προσέγγιση Εφαρμογή ORC σε ΜΕΚ Απλός ORC Υπερκρίσιμος ORC με αναγέννηση ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας ii

5 4.5. Σύγκριση κύκλων Οικονομική προσέγγιση εγκατάστασης ORC Σε σταθερό κινητήρα Σε κινητήρα οχήματος Ανάλυση αποτελεσμάτων και συμπεράσματα Βιβλιογραφία Παράρτημα Ι Παράρτημα ΙΙ 109 ii

6 i

7 1. Εισαγωγή Οι ενεργειακές ανάγκες του ανθρώπου, από την αρχή της ιστορίας του, συνεχώς αυξάνονται. Από τα πρώτα του κιόλας βήματα, άρχισε να καταναλώνει ξύλα για να μπορέσει να ζεσταθεί μέσα στις σπηλιές. Καθώς αναπτυσσόταν ο ανθρώπινος πολιτισμός, εισήχθηκαν στην ζωή του τα στερεά καύσιμα, τα οποία χρησιμοποίησε για θέρμανση και πολλές άλλες δραστηριότητες. Ο πληθυσμός συνεχώς αυξανόταν, άρχισαν να δημιουργούνται μεγάλες πόλεις, των οποίων οι ενεργειακές τους απαιτήσεις συνεχώς μεγάλωναν. Με την Βιομηχανική Επανάσταση, περίοδο κατά την οποία η κοινωνία απέκτησε τον έλεγχο τεραστίων ποσοτήτων ενέργειας, ασύλληπτων για τον μέχρι τότε τρόπο ζωής, οι ενεργειακές απαιτήσεις εκτοξεύτηκαν, όπως φαίνεται παραστατικά στην εικόνα 1.1. Εικόνα 1.1, Εξέλιξη της κατά κεφαλήν κατανάλωσης καυσίμου Από εκείνη τη στιγμή και μέχρι σήμερα, αλλά, όπως προβλέπεται, και στο μέλλον, εικόνα1., οι ενεργειακές ανάγκες της σύγχρονης κοινωνίας αυξάνονται με ραγδαίο ρυθμό. 1

8 Εικόνα 1., Παγκόσμια ζήτηση ενέργειας με τρία διαφορετικά οικονομικά σενάρια [6] Δεν θα μπορούσε να πει κανείς ότι η αύξηση της ζήτησης από μόνη της είναι κάτι αρνητικό, αλλά συνοδεύεται καταρχήν με μείωση των διαθέσιμων κοιτασμάτων φυσικών καυσίμων, γεγονός που μοιραία επηρεάζει και την τιμή τους. Επομένως, αυξάνεται συνεχώς το κόστος παραγωγής ενέργειας. Εκτός των παραπάνω, έχει διατυπωθεί ότι αυτή η μεγάλη ζήτηση ενέργειας έχει αρνητική επίδραση στο περιβάλλον. Από την καύση των καυσίμων προκαλείται ανεξέλεγκτη αύξηση του CO, ενός αερίου το οποίο μπορεί να μην είναι τοξικό, όμως ενοχοποιείται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η αύξηση του CO έχει μεγάλη επίπτωση στην κλιματική αλλαγή, η οποία ενδεχομένως να οδηγήσει σε αλλαγή των συνθηκών διαβίωσης του ανθρώπου σε πολλά σημεία του πλανήτη. Έτσι, η εξασφάλιση της αναγκαίας ποσότητας καυσίμου στην κατάλληλη κάθε φορά μορφή για χρήση, το κόστος της ενέργειας αλλά και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρήση της συνθέτουν το ενεργειακό πρόβλημα. Αυτό οδήγησε στην εύρεση νέων πηγών ενέργειας, οι οποίες δεν μολύνουν το περιβάλλον ή, έστω, το ενεργειακό τους αποτύπωμα είναι πολύ μικρό και βέβαια διαρκούν για πολύ περισσότερο χρονικό διάστημα. Τέτοιες πηγές είναι ο ήλιος, ο άνεμος, η γεωθερμία, τα βιοκαύσιμα κ.α. Εκτός από την εύρεση και εκμετάλλευση νέων πηγών ενέργειας, μπορεί να γίνει βελτίωση του συνολικού βαθμού απόδοσης των μηχανών, έτσι ώστε να μπορούν να παράγουν περισσότερη ωφέλιμη ενέργεια καταναλώνοντας μικρότερες ποσότητες καυσίμου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε με τον καλύτερο σχεδιασμό των μηχανών είτε με την προσθήκη

9 διάφορων συστημάτων, τα οποία μπορούν να παράγουν επιπλέον ενέργεια χωρίς να χρειάζονται μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου. Μια υποψήφια επιλογή κατάλληλη για τη βελτίωση της απόδοσης σε νέες και σε υφιστάμενες εφαρμογές, οι οποίες επιτρέπουν την εξαγωγή ενέργειας από προηγούμενη μη κατάλληλη πηγή, είναι ο Οργανικός Κύκλος Rankine. Οι εφαρμογές που βασίζονται σε αυτόν τον κύκλο προσφέρουν την χρήση πηγών ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η αποβαλλόμενη θερμότητα από βιομηχανικές εφαρμογές, γεωθερμικές πηγές, εγκαταστάσεις καύσης βιομάζας και μικροσυνδυασμούς συστημάτων θερμότητας και ισχύος. Η αποβαλλόμενη θερμότητα αντιπροσωπεύει την θερμότητα που παράγεται από τους κινητήρες και τις βιομηχανικές διαδικασίες οι οποίες δεν έχουν πρακτική χρήση. Η δυσκολία της σύλληψης, διανομής και μετατροπής σε άλλη κατάσταση της ενέργειας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της πηγής θερμότητας και το κόστος σύνδεσης του εξοπλισμού που χρειάζεται για να μετατραπεί η θερμότητα σε χρήσιμη ενέργεια. Η στατιστική έρευνα δείχνει ότι η χαμηλής θερμοκρασιακής στάθμης αποβαλλόμενη θερμότητα υπολογίζεται στο 50% ή και περισσότερο της συνολικής θερμότητας που παράγεται στην βιομηχανία. Υπάρχουν αρκετοί τύποι πηγών αποβαλλόμενης θερμότητας, οι οποίοι φαίνονται στον πίνακα 1.1. Ο ORC είναι ένα κύκλος Rankine ο οποίος χρησιμοποιεί ως εργαζόμενο μέσο ένα οργανικό ρευστό αντί για νερό. Η αντικατάσταση του νερού με το οργανικό ρευστό φέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με την κλασική διαδικασία του ατμού. Λόγω των θερμοφυσικών χαρακτηριστικών, όπως το χαμηλό κρίσιμο σημείο, η χαμηλή θερμοκρασία βρασμού και το μεγάλο μοριακό βάρος, η μετατροπή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας σε χρήσιμη ηλεκτρική ισχύ είναι πιθανή και μπορεί να είναι αποδοτική (μεγαλύτερη απόδοση σε σχέση με τις άλλες επιλογές). Επίσης, λόγω του χαμηλού κρίσιμου σημείου σχετικά με το νερό και επειδή το θερμοκρασιακό επίπεδο της θερμότητας εισόδου είναι πιο μικρό σε σχέση με αυτό της διαδικασίας του ατμού, η πίεση λειτουργίας είναι χαμηλή. Τα παραπάνω οδηγούν σε μικρής κλίμακας και χαμηλού κόστους εγκαταστάσεις, στις οποίες, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν είναι απαραίτητη η μόνιμη επίβλεψη. Σε αυτήν την εργασία θα μελετηθεί η αξιοποίηση των αποβαλλόμενων ποσών θερμότητας ενός κινητήρα, από τα θερμά καυσαέρια καθώς και από το κύκλωμα ψύξης του, για την παραγωγή ισχύος μέσω εγκατάστασης ORC. Θα εξεταστεί η επίδραση του ORC στον βαθμό απόδοσης, στην ειδική κατανάλωση και στην παραγόμενη ισχύ. Τέλος, θα γίνει και η οικονομική προσέγγιση της εγκατάστασης ORC τόσο σε σταθερό κινητήρα όσο και σε κινητήρα οχήματος. 3

10 Πίνακας 1.1, Πηγές αποβαλλόμενης θερμότητας με την αντίστοιχη ποιότητα τους Πηγή 1 Θερμότητα καυσαερίων Θερμότητα Υδρατμών Ποιότητα Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο μεγαλύτερη η δυνατότητα αξιοποίησης Όπως παραπάνω, αλλά υπάρχει η δυνατότητα επιπλέον ανάκτησης της λανθάνουσας θερμότητας κατά την συμπύκνωση Θερμότητα που απορρίπτεται λόγω Χαμηλής ποιότητας- εφόσον συλλεχθεί συναγωγής και ακτινοβολίας των μπορείνα χρησιμοποιηθεί για την εξωτερικών επιφανειών του θέρμανση χώρου και προθέρμανση αέρα εξοπλισμού Θερμότητα που απορρίπτεται από Χαμηλής ποιότητας- χρήσιμη εάν έχει το ψυκτικό νερό συλλεχθεί με το νέο- εισερχόμενο νερό α) Υψηλής ποιότητας, αν μπορεί να αξιοποιηθεί για την μείωση της ψυκτικής ζήτησης Απώλειες θερμότητας κατά την διάθεση κρύου νερού β) χαμηλής ποιότητας, αν η μονάδα ψύξης χρησιμοποιείται ως αντλία θερμότητας Θερμότητα αποθηκευμένη από προϊόντα που εγκαταλείπουν την διεργασία Θερμότητα των αεριούχων και στερεών αποβλήτων των διεργασιών 4 Η ποιότητα εξαρτάται μονοσήμαντα από τη θερμοκρασία Φτωχή δυνατότητα εάν είναι μολυσμένα και επομένως απαιτούν κραματωμένο εναλλάκτη θερμότητας

11 . Περιγραφή ORC.1 Εισαγωγή Το πετρέλαιο έχει το σημαντικότερο μερίδιο στην αγορά ενέργειας από κάθε άλλο καύσιμο, μολονότι η αναλογία αυτή μειώνεται. Ενώ το 1970 το πετρέλαιο αποτελούσε το 60% της βασικής παροχής ενέργειας, το ποσοστό αυτό σήμερα έχει μειωθεί στο 44%. Η ζήτηση για πετρέλαιο αυξάνεται κυρίως στον τομέα μεταφορών, καθώς οι μεταφορές εξαρτώνται αποκλειστικά από το πετρέλαιο και αποτελούν τον κυριότερο καταναλωτή τους. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω καθίσταται επιβεβλημένη η πιο αποτελεσματική αξιοποίηση τόσο των μηχανών που χρησιμοποιούνται στα μέσα μεταφοράς, όσο και των στατικών μηχανών, οι οποίες παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα.. Συνδυασμός θερμότητας και ισχύος (CHP) Η πιο αποτελεσματική αξιοποίηση των μηχανών εσωτερικής καύσης πραγματοποιείται με το συνδυασμό θερμότητας και ισχύος (CHP). Τα συστήματα CHP είναι επακόλουθο της παραγωγής ενέργειας από δύο τύπους χρήσιμης ενέργειας με την χρησιμοποίηση μιας μοναδικής πηγής καυσίμου. Στις περισσότερες εφαρμογές CHP, η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε μηχανική και θερμική ενέργεια. Η μηχανική ενέργεια γενικά προσφέρεται για την παραγωγή ηλεκτρισμού ή την κίνηση ενός μηχανισμού, ενώ η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού, ζεστού νερού ή ζεστού αέρα. Το κύριο τεχνικό πλεονέκτημα ενός συστήματος CHP είναι η ικανότητα να εξάγει περισσότερη ενέργεια από το καύσιμο συγκρινόμενο με τα παραδοσιακά συστήματα όπως τα συμβατικά εργοστάσια ισχύος που παράγουν μόνο ηλεκτρισμό ή τα βιομηχανικά συστήματα τα οποία παράγουν μόνο ατμό ή ζεστό νερό από την διαδικασία της παραγωγής ή ακόμα και από τους κινητήρες οχημάτων. Από την χρησιμοποίηση της ενέργειας του καυσίμου τόσο για την παραγωγή μηχανικού έργου όσο και για την παραγωγή θερμότητας, τα συστήματα CHP μπορεί να είναι ενεργειακά πολύ πιο αποτελεσματικά και έχουν την δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρισμό με μικρότερο κόστος παραγωγής. Ένα ακόμα σημαντικό κίνητρο για την 5

12 εφαρμογή της τεχνολογίας συμπαραγωγής είναι η μείωση ή ελαχιστοποίηση της εξάρτησης από το δίκτυο διανομής. Για μερικές βιομηχανικές διαδικασίες, η συνέπεια της χαμένης ενέργειας ακόμα και για μια μικρή περίοδο είναι μη αποδεκτή. Το κύριο οικονομικό κίνητρο για να εφαρμοστεί η τεχνολογία CHP είναι να μειωθεί το λειτουργικό κόστος για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε σύγκριση με το κόστος που πρέπει να καταβληθεί για την αγορά ηλεκτρικού ρεύματος από τη ΔΕΗ. Η επιτυχής ένταξη της τεχνολογίας CHP μέσα σε νέες ή σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις είναι μια πρόκληση για το λόγο ότι τα συστήματα CHP είναι άπειρα στις θερμοδυναμικές δυνατότητες, και κατά αυτόν τον τρόπο στη διάταξη και το μέγεθος των διαφόρων στοιχείων. Επιπρόσθετα, ο σχεδιασμός, η τοποθέτηση και το κόστος των στοιχείων συχνά επιδρούν στην απαιτούμενη θερμοκρασία της διαδικασίας, το όριo πίεσης, τον τύπο καυσίμου και διαθεσιμότητας του, την απαιτούμενη διαδικασία θέρμανσης και την απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύ. Για την βελτίωση της απόδοσης, τα συστήματα CHP έχουν δυνατότητα να καταναλώσουν λιγότερο καύσιμο και να παράγουν λιγότερους ρύπους ανά μονάδα διανεμόμενης ισχύος εξόδου. Όταν αυξάνεται η απόδοση, ένα σύστημα CHP μπορεί να εγκατασταθεί ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό δίκτυο, ή πιο κοινά, να αυξηθεί η αξιοπιστία του για το στρατηγικό μερίδιο του ηλεκτρικού φορτίου στην περιοχή. Η τεχνολογία συμπαραγωγής συνδυάζει τον μηχανικό εξοπλισμό μέσα σε ένα λειτουργικό σύστημα σχεδιασμένο να μετατρέπει την ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική ισχύ και χρήσιμη θερμική ενέργεια. Οι κινητήρες οχημάτων είναι γνωστές εφαρμογές συμπαραγωγής. Παράγουν μηχανικό έργο στον άξονα για την κίνηση του οχήματος. Επίσης, παράγουν ηλεκτρισμό μέσω μιας γεννήτριας ρεύματος για την λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος και ανακυκλοφορούν το ζεστό νερό από τον κινητήρα για την παραγωγή θερμότητας, όταν αυτή χρειάζεται. Για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, τα συστήματα CHP περιλαμβάνουν τρία βασικά στοιχεία, την κύρια κίνηση, μια ηλεκτρική γεννήτρια και την ανάκτηση της θερμότητας. Μερικά συστήματα περιλαμβάνουν εξοπλισμό ψύξης όταν η επίδραση της ψύξης χρειάζεται. Ο ρόλος της κύριας μηχανής (prime mover) είναι να κινεί την ηλεκτρική γεννήτρια. Είναι σημαντικό να αντιληφθούμε ότι τα συστήματα CHP είναι σχεδιασμένα να μετατρέπουν την θερμότητα σε έργο από συνεχείς επιλεκτικές διεργασίες. Τα σχήματα ανάκτησης θερμότητας για τεχνολογία συμπαραγωγής χωρίζονται σε συστήματα toppingcycle και bottoming-cycle με την σειρά χρησιμοποίησης της ενέργειας του καυσίμου. Στο σύστημα topping-cycle, η ενέργεια του καυσίμου χρησιμοποιείται στην αρχή για 6

13 την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η αποβαλλόμενη θερμότητα από την κύρια μηχανή είναι τότε ανακτήσιμη και χρησιμοποιείται σε άλλες διαδικασίες. Στην εικόνα.1 απεικονίζεται ένα σύστημα topping-cycle. Οι κύριες μηχανές στα περισσότερα βιομηχανικά topping-cycle συστήματα CHP περιλαμβάνουν στρόβιλο ατμού ή αερίου, εμβολοφόρο μηχανή, κυψέλη καυσίμου και μικροστροβίλους. Εικόνα.1, Σύστημα topping-cycle [13] Στο σύστημα bottoming-cycle, η ενέργεια του καυσίμου χρησιμοποιείται πρώτα στην βιομηχανική διαδικασία, όπως διαδικασίες γυαλιού και μεταλλουργία, και η απορριπτόμενη θερμότητα, η οποία είναι υψηλής θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είτε σε άλλη διαδικασία. Στην εικόνα. φαίνεται ένα bottoming- cycle σύστημα. Εικόνα., Σύστημα bottoming-cycle [13] Πάντως τα συστήματα topping-cycle και bottoming-cycle αντιπροσωπεύουν δύο βασικές θερμοδυναμικές διαδικασίες οι οποίες είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν στο ίδιο σύστημα, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως συνδυασμένος κύκλος. Σε αυτά τα συστήματα, ο ηλεκτρισμός παράγεται από δύο ξεχωριστές γεννήτριες. Η μία είναι μέρος του topping-cycle και η άλλη είναι μέρος του bottoming-cycle. Σχεδόν με όλους τους τύπους καυσίμου (στερεό, υγρό ή αέριο) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα CHP για να ανακτά τη θερμότητα που χρειάζεται για να παράγει ηλεκτρισμό, αλλά οι κύριες μηχανές, βραστήρες, και HRSGs (Heat Recovery System Generator) είναι σχεδιασμένες για συγκεκριμένο τύπο καυσίμου ή συνδυασμό αυτών. Η διαθεσιμότητα σε καύσιμα, η τιμή τους, η μεταφορά και αποθήκευση τους μπορούν επίσης να 7

14 επηρεάσουν τόσο την επιλογή όσο και τον σχεδιασμό του εξοπλισμού CHP. Σε περιοχές με αυστηρούς περιβαλλοντικούς περιορισμούς, τα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούν στερεά καύσιμα, όπως κάρβουνο, διαθέτουν εξοπλισμό ελέγχου των εκπομπών για ελαχιστοποίηση SO, NOx, PM ή άλλους ρύπους..3 Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC) Ο απλός Οργανικός Κύκλος Rankine περιλαμβάνει τα βασικά μέρη του κύκλου Rankine με ατμό, όπως φαίνεται και στην εικόνα.3. Το οργανικό μέσο εισέρχεται στην αντλία σε κατάσταση κορεσμένου υγρού προκειμένου να αυξηθεί η πίεση του σε Phigh και να μπορέσει να κυκλοφορήσει στον κύκλο. Μετά την έξοδο από την αντλία, το οργανικό μέσο οδηγείται στον εξατμιστή όπου θερμαίνεται μέχρι την κατάσταση του κορεσμένου ατμού απορροφώντας θερμότητα από τη θερμή πηγή. Σε κατάσταση κορεσμένου ατμού εισέρχεται στην εκτονωτική διάταξη στην οποία εκτονώνεται μέχρι την χαμηλή πίεση Plow και παράγεται ισχύς. Εξερχόμενο από την εκτονωτική διάταξη βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού και τότε εισέρχεται στον συμπυκνωτή όπου αποβάλλει θερμότητα, αλλάζει φάση και εξέρχεται σε κατάσταση κορεσμένου υγρού. Μετά οδηγείται και πάλι στην αντλία για να επαναληφθεί ο κύκλος. Εικόνα.3, Απλός Οργανικός Κύκλος Rankine Οι διεργασίες που εκτελούνται στον απλό ισεντροπικό ORC είναι οι εξής: α) 1-, αύξηση της πίεσης από Plow σε Phigh στην αντλία β) -3, θέρμανση του μέσου μέσα στον εξατμιστή γ) 3-4, εκτόνωση στην εκτονωτική διάταξη από Phigh σε Plow δ) 4-1, απόρριψη θερμότητας στον συμπυκνωτή. 8

15 Στην εικόνα.4 παρουσιάζεται ένας απλός ORC(α) και ένας κύκλος Rankine νερούατμού(β). (a) (b) Εικόνα.4, (a) Απλός ORC, (b) κύκλος Rankine ατμού-νερού Πιο συγκεκριμένα για τα παραπάνω στοιχεία του κύκλου Rankine: Η αντλία αναλαμβάνει να καταθλίψει το εργαζόμενο μέσο στον εναλλάκτη θερμότητας και ανυψώνει την πίεση στην επιθυμητή πίεση λειτουργίας. Πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα του εργαζόμενου μέσου στον εξατμιστή. Έτσι, θα πρέπει να έχει καλό βαθμό απόδοσης και όσο το δυνατόν ευρύτερη περιοχή λειτουργίας. Ο εξατμιστής είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας που τοποθετείται μετά την αντλία. Το εργαζόμενο μέσο εισέρχεται σε αυτόν σε υγρή κατάσταση και, αφού απορροφήσει θερμότητα από την πηγή, τότε εξέρχεται από αυτόν σε κατάσταση κορεσμένου ατμού. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στον υπερκρίσιμο ORC, όπου η έξοδος του εργαζόμενου μέσου από τον εξατμιστή θα πρέπει να είναι σε τέτοια θερμοκρασία ώστε κατά την φάση της εκτόνωσης να μην περάσει μέσα από την διφασική περιοχή (εικόνα.5). Πριν από τον εξατμιστή μπορεί να γίνει προθέρμανση του εργαζόμενου μέσου, είτε με αξιοποίηση κάποιας άλλης πηγής θερμότητας (προθερμαντήρας), είτε με εκμετάλλευση της κατάστασης του εργαζόμενου μέσου μετά την εκτόνωση (αναγεννητής ή ανακομιστής). Στην περίπτωση του αναγεννητή, ο θερμός ατμός από την έξοδο του εκτονωτή χρησιμοποιείται για να θερμάνει το μέσο, το οποίο έχει βγει από την αντλία και βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. 9

16 Εικόνα.5, Φάση της εκτόνωσης σε υπερκρίσιμο κύκλο [9] Οι δύο κύριες συσκευές που χρησιμοποιούνται ως εκτονωτικές διατάξεις είναι ο στρόβιλος και ο εκτονωτής θετικού εκτοπίσματος. Στους στροβίλους, η εκτόνωση θα πρέπει να πραγματοποιηθεί μόνο στην περιοχή του υπέρθερμου ατμού, διότι υπάρχει ο κίνδυνος δημιουργίας σταγονιδίων τα οποία οδηγούν στη φθορά του. Στους εκτονωτές θετικού εκτοπίσματος συγκαταλέγονται οι scroll, screw, οι εμβολοφόροι και άλλοι, οι οποίοι δεν αντιμετωπίζουν τόσο έντονο πρόβλημα από την παρουσία σταγονιδίων κατά την φάση της εκτόνωσης. Έτσι, μπορούν να λειτουργούν σε κατάσταση κορεσμένου ή υπέρθερμου ατμού και να περνούν από την υγρή περιοχή χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα. Ακόμα, η ταχύτητα περιστροφής των στροβίλων είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι των εκτονωτών θετικού εκτοπίσματος. Έτσι, σε μερικές εφαρμογές, για την περίπτωση χρησιμοποίησης στροβίλου, είναι απαραίτητη η τοποθέτηση ενός μειωτήρα στροφών στην έξοδο του στροβίλου. Μετά τον εκτονωτή το εργαζόμενο μέσο εισέρχεται στον συμπυκνωτή, το οποίο βρίσκεται σε κατάσταση χαμηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Ο συμπυκνωτής είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας όπου συμπυκνώνεται το εργαζόμενο μέσο με τη βοήθεια ψυκτικού υγρού ή αέρα. Στην έξοδο του συμπυκνωτή το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμένου υγρού. Όσο μικρότερη είναι η πίεση στον συμπυκνωτή τόσο μεγαλύτερη είναι η παραγόμενη ισχύς διότι αυξάνεται η μέγιστη διαθέσιμη ενθαπλική πτώση μέσα στην εκτονωτική διάταξη. Όμως, από την άλλη, η πίεση στον συμπυκνωτή δεν πρέπει να είναι μικρότερη από αυτήν του περιβάλλοντος, διότι υπάρχει ο κίνδυνος εισόδου αέρα στην εγκατάσταση. Επιπλέον, όσο μειώνεται η χαμηλή πίεση τόσο μειώνεται και η θερμοκρασία συμπύκνωσης, η οποία όταν βρίσκεται πολύ κοντά στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος δυσχεραίνει τη μεταφορά θερμότητας, γι αυτό και είναι καλό να υπάρχει μια θερμοκρασιακή διαφορά τουλάχιστον 0C μεταξύ της θερμοκρασίας συμπύκνωσης και θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Εκτός από την απλή εγκατάσταση του ORC είναι διαθέσιμοι και όλοι τύποι 10

17 εγκαταστάσεων, όπως η μη κρίσιμη απλή εγκατάσταση με αναγεννητή (εικόνα.6), η εγκατάσταση με υπερκρίσιμο εξατμιστή (εικόνα.7) και η εγκατάσταση ORC με αξιοποίηση δύο διαφορετικών πηγών θερμότητας (εικόνα.8). Εικόνα.6, Διάγραμμα T-s και εγκατάσταση απλού ORC με αναγεννητή [1] Εικόνα.7, Διάγραμμα T-s και εγκατάσταση υπερκρίσιμου ORC [1] Εικόνα.8, Διάγραμμα T-s και εγκατάσταση ORC με δύο πηγές θερμότητας [1] 11

18 .4 Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Οι ΜΕΚ χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στις μεταφορές αλλά και στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Οι κινητήρες diesel αντιπροσωπεύουν το κύριο είδος των ΜΕΚ. Έχουν μεγάλο πεδίο εφαρμογών και ως ενεργειακοί μετατροπείς χαρακτηρίζονται από υψηλή αποδοτικότητα. Τα φορτηγά και οι κινητήρες των οχημάτων χρησιμοποιούν ταχύστροφους κινητήρες με 0kW ή και παραπάνω ισχύ εξόδου. Άλλα είδη οχημάτων παράγουν περισσότερο από 50 kw ή ακόμα και από 70kW. Οι κινητήρες diesel χρησιμοποιούνται και σε μικρές ηλεκτρικές γεννήτριες ή/και για σταθερές μονάδες μεσαίας κλίμακας ηλεκτρικούς σταθμούς. Επίσης, μικροί αερόψυκτοι κινητήρες μεγαλύτερης ισχύος από 35kW χρησιμοποιούνται για αρδευτικές εφαρμογές, αγροτικούς ελκυστήρες και μηχανές κατασκευών. Γενικά, ο βαθμός απόδοσης των κινητήρων diesel είναι περίπου 35% και το υπόλοιπο της ενέργειας του καυσίμου αποβάλλεται. Με το πέρασμα των χρόνων έχει βελτιωθεί ο βαθμός απόδοσης των κινητήρων diesel χρησιμοποιώντας την ενέργεια που αποβάλλεται από τα καυσαέρια (π.χ. διάταξη στροβιλοσυμπιεστή), όμως και πάλι παραμένει σε χαμηλά επίπεδα. Όπως φαίνεται και από τον πίνακα.1, περίπου τα /3 της ενέργειας του καυσίμου απομακρύνονται από τα καυσαέρια και το σύστημα ψύξης του κινητήρα. Με την καλύτερη αξιοποίηση αυτού του ποσοστού των απωλειών θα δινόταν η πιθανότητα να βελτιωθεί η απόδοση του κινητήρα και κατ επέκταση η κατανάλωση καυσίμου για την παραγωγή ενέργειας. Έτσι, υπάρχουν οι προϋποθέσεις να ενσωματωθεί ένα σύστημα ORC στον κινητήρα, το οποίο θα μπορεί να ανακτά την αποβαλλόμενη θερμότητα του κινητήρα. Δηλαδή, η θερμότητα που αποβάλλεται θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος ή/και έργου. Με αυτόν τον τρόπο θα βελτιωνόταν η ενεργειακή απόδοση της ΜΕΚ. Πίνακας.1, Τα ποσοστά κατανομής της ενέργειας σε ΜΕΚ, όπου γ b το ποσοστό της ενέργειας εξόδου, γcool το ποσοστό ενέργειας στο σύστημα ψύξης, γ exh το ποσοστό ενέργειας των καυσαερίων, γ misc ποσοστό ενέργειας στο σύστημα λίπανσης, ακτινοβολία κ.α [10] 1

19 .4.1 Σύστημα ORC σε κινητήρες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος Οι ΜΕΚ χρησιμοποιούνται για ποικιλία εφαρμογών στατικής παραγωγής ενέργειας, περιλαμβάνοντας έκτακτη λειτουργία, βασική λειτουργία και λειτουργία service. Αυτές οι μηχανές είναι διαθέσιμες για μικρές εφαρμογές παραγωγής ισχύος από μερικά kw μέχρι περίπου 5MW, αλλά πολλαπλές ΜΕΚ μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να αυξηθεί η χωρητικότητα και να βελτιώσουν τη διαθεσιμότητα. Οι ΜΕΚ υψηλού φορτίου και απόδοσης είναι μια αξιόπιστη παραγωγή ισχύος και έχει την ικανότητα να παράγει ζεστό νερό ή χαμηλής πίεση ατμό για εφαρμογές CHP. Υπάρχουν δύο τύποι ΜΕΚ για παραγωγή ενέργειας - οι spark ignition (SI) και οι compression ignition (CI). Οι κινητήρες SI χρησιμοποιούν ένα σπινθηριστή, μεγάλης ένταση σπινθήρα κατά την διάρκεια της ανάφλεξης του συμπιεσμένου αέρα- καυσίμου μέσα στον κύλινδρο. Τα συνηθισμένα καύσιμα για SI κινητήρες είναι κάποιο αέριο ή ατμοποιημένο υγρό καύσιμο όπως η βενζίνη, το προπάνιο, το βιοαέρια, αλλά το φυσικό αέριο είναι το προτιμότερο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι CI κινητήρες επιτυγχάνουν την ανάφλεξη μέσω της θερμότητας από την συμπίεση. Ιστορικά οι κινητήρες diesel ήταν η πιο συνηθισμένη επιλογή για εφαρμογές παραγωγής ισχύος, αλλά σήμερα οι κινητήρες SI που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο είναι η πρώτη επιλογή της αγοράς για μεγάλα φορτία στατικής ισχύος. Η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από κινητήρες diesel κυμαίνεται από 5kWel, σε μικρές εγκαταστάσεις, μέχρι τα 10ΜWel σε μεγάλες εγκαταστάσεις, ενώ στους κινητήρες Otto η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς κυμαίνεται μεταξύ 3kWel και 6ΜWel, ανάλογα την εγκατάσταση. Οι περισσότερες ΜΕΚ είναι τετράχρονες και οι διεργασίες που εκτελούνται είναι η εισαγωγή, η συμπίεση, η παραγωγή ισχύος και η εξαγωγή. Όμως, εκτός από τις τετράχρονες μηχανές υπάρχουν και οι δίχρονοι κινητήρες, οι οποίοι εκτελούν τις παραπάνω διεργασίες σε δύο χρόνους. Οι ΜΕΚ μπορούν να ομαδοποιηθούν σε κινητήρες υψηλών στροφών (1000~ 3600rpm), μεσαίων στροφών (75~1000rpm) ή χαμηλών στροφών (58~75rpm). Η ταχύτητα περιστροφής που πρέπει να λειτουργεί ο κινητήρας είναι πολύ σημαντική, διότι οι ηλεκτρικές γεννήτριες τυπικά λειτουργούν σε σταθερή (ή σύγχρονη) ταχύτητα για να παράγουν συγκεκριμένης συχνότητας ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι, ανάλογα των στροφών του κινητήρα μπορεί να συνδεθεί με την γεννήτρια απευθείας ή με την χρήση ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Σε χώρες όπου η συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι 60Hz, οι στροφές θα πρέπει να είναι πολλαπλάσιες το 60 (τυπικά 1800rpm για μικρούς κινητήρες και 900 ή 70 για μεγάλους κινητήρες). Σε περιοχές όπου η συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος είναι 50Hz, όπως 13

20 Ευρώπη και Ιαπωνία, οι στροφές του κινητήρα θα πρέπει να είναι πολλαπλάσιες του 50 (τυπικά 1500 rpm για μικρούς κινητήρες). Σημαντικά χαρακτηριστικά, όπως ο λόγος ισχύος, η κατανάλωση καυσίμου και η θερμότητα εξόδου, επηρεάζουν τον τρόπο αξιοποίησης της εφαρμογής CHP από την ΜΕΚ. Οι συντελεστές που επηρεάζουν τον λόγο ισχύος είναι το εκτόπισμα, η ταχύτητα περιστροφής, η μέθοδος έναυσης, ο λόγος συμπίεσης, ο τύπος αναπνοής, το σύστημα ψύξης, η θερμοκρασία του νερού και η θερμοκρασία intercooler. Η κατανάλωση καυσίμου επηρεάζεται από τον θερμοδυναμικό κύκλο, την ταχύτητα περιστροφής, το λόγο συμπίεσης και τον τύπο της αναπνοής. Για τους περισσότερους κινητήρες περίπου το % της ενέργειας του καυσίμου αποβάλλεται από το σύστημα ψύξης και περίπου ακόμα ένα % από την εξάτμιση. Η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι περίπου 650C σε πλήρες φορτίο και περίπου 550C στο 60% του φορτίου για 4Χ κινητήρα φυσικής αναπνοής και στροβιλοσυμπιεστή φυσικού αερίου κινητήρα. Οι Χ χαμηλής ταχύτητας κινητήρες έχουν χαμηλότερη περιοχή θερμοκρασίας περίπου 50~360C. Μερικοί κινητήρες έχουν την ικανότητα να παράγουν 93~98C ψυκτικό, ενώ όταν αυτό βρίσκεται μέσα στον κινητήρα μπορεί να φτάσει τους 1. Πηγές ανάκτησης θερμική ενέργεια για τυπική ΜΕΚ σε εφαρμογές CHP φαίνονται στην εικόνα.9. Εικόνα.9, Πηγές ανάκτησης θερμικής ενέργειας ΜΕΚ σε εφαρμογή CHP [13] Έτσι, η θερμική ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί από μια ΜΕΚ προέρχεται από τα καυσαέρια, το σύστημα ψύξης, το σύστημα λίπανσης και το intercooler. Ως κύρια πηγή θερμότητας από την ΜΕΚ είναι τα καυσαέρια του κινητήρα. Η θερμοκρασία των καυσαερίων κυμαίνεται σε 350C~550C και η ανακτόμενη θερμότητα μπορεί να παράγει ατμό. Η ανακτόμενη θερμότητα επιτυγχάνεται από HRSG ή έναν εναλλάκτη θερμότητας. Η ανακτόμενη θερμότητα από το σύστημα ψύξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προθέρμανση του μέσου, λόγω χαμηλότερης θερμοκρασίας. Η ανάκτηση θερμότητας από το λάδι λίπανσης και το intercooler είναι γενικά 14

21 χαμηλότερης θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία του λιπαντικού είναι συνήθως περίπου 90C. Η ελάχιστη απαίτηση από τις ΜΕΚ είναι να φορτίζουν μπαταρίες για βοηθητική ισχύ. Μια ΜΕΚ θα πρέπει να έχει την ικανότητα γρήγορης εκκίνησης και ταχύτατης κάλυψης των μέγιστων απαιτήσεων σε ηλεκτρισμό για οποιαδήποτε επείγουσα κατάσταση ισχύος. Η εγκατάσταση μιας ΜΕΚ απαιτεί ειδικές κατασκευαστικές υποστηρίξεις ή σχεδιαστική θεμελίωση για να απορροφήσει τα δυναμικά φορτία και κυκλικές ταλαντώσεις που παράγονται κατά την λειτουργία της. Μερικές φορές υπάρχει απαίτηση για χρήση πνευματικών συστημάτων υποστήριξης σε περίπτωση που χρειάζεται να ελαχιστοποιήσουμε τη θεμελίωση. Ακόμα ένα πρόβλημα είναι η δημιουργία θορύβου. Πάντως ο θόρυβος που προκαλείται από την ΜΕΚ είναι μικρότερος από αυτόν που προκαλούν οι στρόβιλοι αερίων. Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, η πρώτη επιλογή της πηγής θερμότητας προς ανάκτηση είναι τα θερμά καυσαέρια του κινητήρα. Αυτή η θερμότητα μπορεί να διοχετευθεί απευθείας μέσα στο σύστημα ORC (εικόνα.10α) ή να χρησιμοποιηθεί ένα ενδιάμεσο ρευστό (θερμαινόμενο λάδι) για την μεταφορά της θερμότητας. Όπως φαίνεται και στην εικόνα.10β, η όλη διαδικασία αποτελείται από τρεις βρόγχους. Στον πρώτο βρόγχο χρησιμοποιείται ένα ρευστό (θερμαινόμενο λάδι) το οποίο αναλαμβάνει να μεταφέρει την θερμότητα από την πηγή στον σύστημα ORC. Ο δεύτερος βρόγχος περιλαμβάνει τον ORC από τον οποίο παράγεται τελικά ρεύμα και, τέλος, ο τρίτος βρόγχος αποτελεί την διαδικασία της ψύξης του εργαζόμενου μέσου στον ORC. Ο σκοπός χρησιμοποίησης ενός ενδιάμεσου ρευστού είναι να μην εκτίθεται το οργανικό μέσο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η δεύτερη επιλογή είναι η θερμότητα που προέρχεται από το σύστημα ψύξης του κινητήρα. Η θερμότητα που προέρχεται από το σύστημα λίπανσης είναι χαμηλής εντροπίας και καθίσταται ασύμφορη η αξιοποίησή της. (a) (b) Εικόνα.10, (a) απευθείας τροφοδότηση του συστήματος ORC με την θερμότητα των καυσαερίων, (b) χρησιμοποίηση ενδιάμεσου ρευστού για την μεταφορά της θερμότητας από μια πηγή αποβαλλόμενης θερμότητας [] 15

22 Στις εικόνες.11α και β, φαίνονται εγκαταστάσεις των εταιριών TURBODEN και GE, οι οποίες εκμεταλλεύονται την αποβαλλόμενη θερμότητα από μια ΜΕΚ. Εκμεταλλεύονται τα καυσαέρια και τη θερμότητα του ψυκτικού υγρού του κινητήρα, ως πηγές θερμότητας, για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύς. (a) (b) Εικόνα.11, Απεικόνιση των στοιχείων για την εκμετάλλευση της αποβαλλόμενης θερμότητας της εταιρίας (a) TURBODEN και (b) GE. Στον πίνακα. φαίνονται διάφορα project της εταιρίας TURBODEN, που έχουν ως σκοπό την ανάκτηση θερμότητας από κινητήρες ΜΕΚ, ενώ στον πίνακα.3 φαίνονται διάφορα συστήματα της ίδιας εταιρίας. Πίνακας., Διάφορα project της εταιρίας TURBODEN 16

23 Πίνακας.3, Διάφορα συστήματα CHP της εταιρίας TURBODEN.4. Σύστημα ORC σε κινητήρες οχημάτων Η ανάκτηση θερμότητας από κινητήρες οχημάτων είναι πολύ πιο δύσκολη υπόθεση σε σχέση με τους σταθερούς κινητήρες. Ένας από τους λόγους είναι ότι οι συνθήκες λειτουργίας τους συνεχώς μεταβάλλονται, επομένως μεταβάλλεται και το ποσό της θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί. Η πρώτη προσέγγιση για την χρήση κύκλου Rankine σε εφαρμογές οχημάτων χρονολογείται κοντά στην δεκαετία του 70, όταν ένα ερευνητικό πρόγραμμα χρηματοδοτήθηκε από το υπουργείο ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και διεξήχθη από την Mack Trucks και την Thermo Electron Corporation. Κατά την διάρκεια του προγράμματος, ένα σύστημα ORC εγκαταστάθηκε σε ένα φορτηγό Mack με κινητήρα diesel, 88HP. Τα αποτελέσματα των εργοστασιακών δοκιμών επαληθεύτηκαν σε δοκιμές επί του δρόμου για 450 km αποδείχθηκε ότι το σύστημα είναι τεχνολογικά εφικτό και οικονομικά ενδιαφέρον. Σε αυτό παρουσιάστηκε μια μείωση της κατανάλωσης καυσίμου περίπου 10%. Το εργαζόμενο μέσο που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το σύστημα ORC ήταν το R1. Κατά την διάρκεια των επόμενων χρόνων παρόμοια ερευνητικά προγράμματα εκτελέστηκαν από άλλα ινστιτούτα και κατασκευαστές οχημάτων. Τα συστήματα που αναπτύσσονται σήμερα διαφέρουν από αυτά της δεκαετίας του 70, λόγω της εξέλιξης των εκτονωτικών μέσων και της διεύρυνσης των εργαζόμενων ρευστών. Παρόμοια συστήματα, τα οποία εκμεταλλεύονται είτε τα καυσαέρια, είτε το σύστημα ψύξης, είτε συνδυασμό αυτών, αναπτύχθηκαν και από άλλες εταιρίες, όπως η HONDA, η BMW, αλλά και από άλλους ερευνητές,. Όλα τα αποτελέσματα κατέληγαν σε ένα βασικό συμπέρασμα, ότι με την ενσωμάτωση ενός συστήματος ORC βελτιώνεται η απόδοση και κατ επέκταση η κατανάλωση καυσίμου. Σήμερα, η εγκατάσταση ενός κύκλου Rankine δεν αποτελεί μόνο εφικτή λύση αύξησης της απόδοσης σε μεγάλους κινητήρες diesel, αλλά 17

24 ακόμα και σε πιο μικρούς κινητήρες οχημάτων. Το μέγεθος του συστήματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρό, επειδή δεν υπάρχει αρκετός διαθέσιμος χώρος. Το μέγεθος του εξαρτάται από τον τύπο του εργαζόμενου μέσου στο σύστημα Rankine. Η επιλογή του εργαζόμενου μέσου θα πρέπει να διερευνηθεί διεξοδικά, διότι επηρεάζει τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος (πίεση και θερμοκρασία), καθώς και την απόδοση του. Επιπρόσθετα, το βάρος του συστήματος είναι άμεσα συνδεδεμένο με την κατανάλωση καυσίμου, επομένως θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Επίσης, η τοποθέτηση ενός εναλλάκτη, του εξατμιστή του συστήματος ORC, αυξάνει το backpressure με αποτέλεσμα να επηρεάζει την λειτουργία του κινητήρα (αυξάνονται οι απώλειες). Η επιλογή του εργαζόμενου μέσου έχει κομβική σημασία στο σύστημα ORC. Παρατηρείται ότι το νερό, ως εργαζόμενο μέσο, παρουσιάζει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με τα άλλα ρευστά σε υψηλή θερμοκρασία. Όμως, η απόδοση του συστήματος με εργαζόμενο μέσο το νερό δεν είναι σταθερή και τείνει να μειώνεται καθώς η θερμοκρασία των καυσαερίων μειώνεται, πράγμα που το καθιστά μη καλή επιλογή σε συστήματα ανάκτησης αποβαλλόμενης θερμότητας ενσωματωμένα σε κινητήρες οχημάτων, διότι η θερμοκρασία των καυσαερίων αλλά και η παροχή τους συνεχώς μεταβάλλονται κατά την διάρκεια λειτουργίας τους [10]. Οι πηγές θερμότητας από τις οποίες μπορεί να ανακτηθεί κάποιο ποσό θερμότητας σε μια ΜΕΚ είναι η ψύξη του αέρα εισαγωγής (CAC, σύστημα intercooler), η ψύξη του κινητήρα, η ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR) και τα καυσαέρια από την εξάτμιση. Όπως φαίνεται από τον πίνακα.4, οι πηγές θερμότητας από την ανακυκλοφορία καυσαερίων αλλά και από τα καυσαέρια της εξάτμισης παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον λόγω της υψηλής εξέργειας που διαθέτουν. Βέβαια, η ποσότητα των ανακυκλοφορούντων καυσαερίων είναι μικρή, επομένως το ενδιαφέρον μας εστιάζεται κυρίως στην ανάκτηση θερμότητας από τα καυσαέρια. Στην περίπτωση εκμετάλλευσης της EGR ως πηγής αποβαλλόμενης θερμότητας αυξάνεται το κόστος και η πολυπλοκότητα του συστήματος. Ακόμα, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε και την θερμότητα από το κύκλωμα ψύξης. Βάση των παραπάνω, η θερμότητα από τα καυσαέρια και από το υγρό ψύξης του κινητήρα αποτελούν τις δύο κύριες πηγές θερμότητας οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν με μεγάλη πιθανότητα επιτυχίας. Στη εικόνα.1 φαίνονται οι πιθανές θέσεις τοποθέτησης ενός συστήματος ανάκτησης θερμότητας σε κινητήρα οχήματος. 18

25 Πίνακας.4, Πηγές αποβαλλόμενης θερμότητας πηγή αποβαλλόμενης θερμότητας ποιότητα ποσότητα καυσαέρια EGR κύκλωμα ψύξης intercooler υψηλή υψηλή μικρή μικρή υψηλή μικρή υψηλή μικρή Εικόνα.1, Πιθανά σημεία τοποθέτησης συστημάτων ανάκτησης αποβαλλόμενης θερμότητας [5] Όπως γίνεται αντιληπτό από την εικόνα.1, πολύ μεγάλη σημασία έχει η τοποθέτηση του συστήματος ανάκτησης θερμότητας για την σωστή λειτουργία του κινητήρα. Μια επιλογή πολύ κοντά στην έξοδο του κινητήρα θα είχε πολύ καλά αποτελέσματα λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας των καυσαερίων, από την άλλη, όμως, θα επηρέαζε την λειτουργία του καταλύτη λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας των καυσαερίων μετά την έξοδο τους από το σύστημα WHR (Waste Heat Recovery). Βέβαια, η τοποθέτηση ενός συστήματος στον αγωγό της εξάτμισης λειτουργεί αρνητικά όσον αφορά στην πτώση πίεσης των καυσαερίων και κατ επέκταση στη λειτουργία του κινητήρα. Επομένως, η ενσωμάτωση ενός συστήματος WHR μέσα σε όχημα υποδηλώνει την εκτενή μελέτη του θερμοδυναμικού συστήματος του οχήματος. Ποικίλες αρχιτεκτονικές είναι διαθέσιμες για την ενσωμάτωση ενός συστήματος WHR και εξαρτώνται από την πηγή θερμότητας που εκμεταλλεύονται. Στην εικόνα.13 παρουσιάζονται ορισμένες από αυτές τις αρχιτεκτονικές. Το σύστημα ORC μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος είτε για την παραγωγή μηχανικού έργου. Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει και ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται τα διάφορα στοιχεία. Κάποιες από τις αρχιτεκτονικές φαίνονται στην εικόνα

26 Εικόνα.13, Θερμικές αρχιτεκτονικές (a) εκμετάλλευση μόνο των καυσαερίων, (b) μόνο του ψυκτικού, (c) ο εξατμιστής βρίσκεται μέσα στην πολλαπλή, (d) συνδυασμός του (a) και (b), (e) να συνδυαστεί με το κύκλωμα του A/C, (f) energy stroker boiler, (g) διβάθμιο σύστημα [5] 0

27 Εικόνα.14, Μηχανικές αρχιτεκτονικές (a) παραγωγή μηχανική ισχύς, (b) παραγωγή ηλεκτρικής ισχύς, (c ) παραγωγή ηλεκτρικής ισχύς/ η αντλία κινείται από τον κινητήρα. [5] Με την ενσωμάτωση μιας πηγής αποβαλλόμενης θερμότητας στο σύστημα ORCκινητήρα, αυξάνεται περισσότερο από 5% η ανάγκη για απόρριψη της θερμότητας από τα φορτηγά λόγω της απόρριψης της θερμότητας του κύκλου Rankine από τον συμπυκνωτή του. Η θερμότητα μπορεί να απομακρυνθεί άμεσα απευθείας στον αέρα ή έμμεσα, μεσολαβώντας ένα ρευστό ψύξης. Ο συμπυκνωτής του συστήματος ORC μπορεί να τοποθετηθεί σε διάφορα σημεία σε ένα φορτηγό. Υπάρχει η δυνατότητα να τοποθετηθεί ξεχωριστά από τον συμπυκνωτή του συστήματος ψύξης του κινητήρα (παραδείγματος χάρη να τοποθετηθεί στην οροφή του οχήματος, όπου σε αυτήν την περίπτωση, η αεροδυναμική αντίσταση κατά την κίνηση του οχήματος θα ήταν σημαντική). Επίσης, μπορεί να τοποθετηθεί πίσω από την καμπίνα. Σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται η τοποθέτηση ανεμιστήρα λόγω μηδενικού ram air. Η κατανάλωση ισχύος από τον ανεμιστήρα αυξάνεται μειώνοντας το ενδιαφέρον γι αυτήν τη λύση. Τέλος, μπορεί να τοποθετηθεί μαζί με το σύστημα ψύξης του κινητήρα. Αυτό συνεπάγεται μικρή ή μηδενική αεροδυναμική επίδραση. Το μειονέκτημα αυτής της λύσης είναι η επίδραση στο σύστημα ψύξης του κινητήρα λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας του αέρα που εισέρχεται στον εναλλάκτη (charge air cooler CAC) και της μείωσης της ταχύτητας του αέρα καθώς εξέρχεται από το ψυγείο. Σε αυτήν την περίπτωση η απορριπτόμενη ισχύς από τον κύκλο Rankine είναι συνδεδεμένη με την συμπεριφορά και το μέγεθος του συστήματος ψύξης. Το σύστημα ψύξης του φορτηγού διαστασιολογείται με το χειρότερο σενάριο, το 1

28 οποίο είναι: πλήρες φορτίο (40Τ) σε ανηφορικό δρόμο με πολύ χαμηλή ταχύτητα (χωρίς ram air) και υψηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος (40C). Ο ανεμιστήρας διαστασιολογείται για να προσφέρει τον ελάχιστα απαιτούμενο αέρα, έτσι ώστε η θερμοκρασία του ψυκτικού να είναι κοντά στο σημείο βρασμού (110C). Σε ευθύ δρόμο (μικρό φορτίο) με 90km/h ο ανεμιστήρας είναι ελεύθερος (περιστρέφεται λόγω αεροδυναμικής αντίστασης) και το ram air είναι επαρκές να ψύξει τον κινητήρα. Ο θερμοστάτης ρυθμίζει την θερμοκρασία του κινητήρα στους 90C. Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, οι συνθήκες λειτουργίας ενός κινητήρα οχήματος συνεχώς μεταβάλλονται, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται και το διαθέσιμο ποσό θερμότητας το οποίο μπορεί να ανακτηθεί από τα καυσαέρια. Έτσι, το σύστημα ORC για να είναι αποδοτικό θα πρέπει συνεχώς να ελέγχονται και να ρυθμίζονται κάποιες παράμετροι. Οι παράμετροι που μπορούν να ελεγχθούν είναι οι πιέσεις Phigh, Plow καθώς και η ροή μάζας του εργαζόμενου μέσου. Ένας τρόπος ελέγχου της ροής μάζας του εργαζόμενου μέσου είναι η προσθήκη ενός δοχείου, το οποίο θα συνδέεται μέσω δύο βανών με το σύστημα, και θα είναι παράλληλα με την αντλία. Έτσι, ανάλογα με τις συνθήκες, θα προστίθεται ή θα αφαιρείται ποσότητα ρευστού στο κύκλωμα. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει η πίεση Phigh καθορίζεται από το pinch point, και επηρεάζει το ποσό της ανακτόμενης θερμότητας, καθώς επίσης και την απόδοση του κύκλου. Η πίεση Plow θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη για να αυξηθεί το παραγόμενο έργο. Η Plow αντιπροσωπεύει την θερμοκρασία συμπύκνωσης του μέσου και έτσι, θα πρέπει να πάρει τέτοια τιμή, ώστε να διευκολύνεται η απομάκρυνση θερμότητας από τον κύκλο. Έτσι, γίνεται αντιληπτό ότι η τοποθέτηση ενός συστήματος ανάκτησης θερμότητας μέσα σε ένα όχημα είναι ιδιαίτερα δύσκολη υπόθεση, τόσο από θερμοδυναμικής άποψης αλλά και σε σχέση με το κόστος κατασκευής και το επιπλέον βάρος που προστίθεται στο όχημα. Βέβαια, η αύξηση του βάρους έχει ως συνέπεια την αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου..5 Εργαζόμενο μέσο Η επιλογή του εργαζόμενου μέσου αποτελεί τον παράγοντα κλειδί που επηρεάζει άμεσα τη λειτουργία και την απόδοση του συστήματος. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία οργανικών μέσων, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές παραγωγής ισχύος του κύκλου Rankine. Τα προβλήματα ασφάλειας, διαθεσιμότητας και κόστους μειώνουν σημαντικά τον

29 αριθμό των υποψηφίων οργανικών μέσων. Οι κυριότεροι παράγοντες στους οποίους βασίζεται η επιλογή του εργαζόμενου μέσου είναι οι ακόλουθοι [15,1]: i) Η θερμοκρασία του κρίσιμου σημείου, δεδομένου ότι το εξεταζόμενο σύστημα είναι ένας υποκρίσιμος κύκλος Rankine, δηλαδή το εργαζόμενο μέσο διαπερνά την διφασική περιοχή κατά τη μετάβασή του από την υγρή στην αέρια φάση. Οι πηγές θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας απαιτούν χαμηλές τιμές της κρίσιμης θερμοκρασίας. Ωστόσο, η μεγιστοποίηση του θερμοδυναμικού βαθμού απόδοσης του κύκλου απαιτεί υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία του εργαζόμενου μέσου και χαμηλή πίεση της κατώτερης πίεσης Plow λειτουργίας του κύκλου. Όμως αυτό εξαρτάται από τον σχεδιασμό της εγκατάστασης και συγκεκριμένα από το μέγεθος του εκτονωτή. ii) Η πολυπλοκότητα της μοριακής δομής του οργανικού μέσου. Τα εργαζόμενα μέσα απλής μοριακής δομής είναι παρόμοια με το νερό ως προς τις θερμοφυσικές τους ιδιότητες. Τα καταλληλότερα οργανικά μέσα για εφαρμογές παραγωγής ισχύος παρουσιάζουν πιο σύνθετη μοριακή δομή συγκριτικά με το νερό. Στην εικόνα.15 φαίνεται η μοριακή δομή του νερού και οργανικών ρευστών. iii) Το μοριακό βάρος του εργαζόμενου μέσου επηρεάζει τη λειτουργία του εκτονωτή. Συγκεκριμένα, οι στρόβιλοι εκτονωτές έχουν χαμηλή ταχύτητα περιστροφής και μικρό αριθμό βαθμίδων, όταν χρησιμοποιούν εργαζόμενα μέσα μεγάλου μοριακού βάρους. iv) Η ευφλεκτότητα και η τοξικότητα του υποψηφίου εργαζόμενου μέσου είναι σημαντικοί παράμετροι, που καθορίζουν την ασφάλεια της χρήσης αυτού στον κύκλο Rankine. v) Η θερμική και χημική σταθερότητα του υποψηφίου εργαζόμενου μέσου του κύκλου Rankine vi) Η περιβαλλοντική επιβάρυνση λόγω της χρήσης του εργαζόμενου μέσου στην εφαρμογή του κύκλου Rankine. vii) Η διαθεσιμότητα και χαμηλό κόστος 3

30 Εικόνα.15, Μοριακή δομή νερού και οργανικού ρευστού Στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν από τη χρήση των οργανικών μέσων αποτελούν μείζον ζήτημα για την βιομηχανία ψύξης και κλιματισμού. Η καταστροφική επίδραση κάποιων εργαζόμενων μέσων στο προστατευτικό στρώμα του όζοντος οδήγησε στην αναζήτηση νέων λιγότερο βλαβερών ουσιών. Ωστόσο, στη συνέχεια διαπιστώθηκε ότι μερικά από τα οργανικά μέσα συμβάλλουν στην επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου και κατά συνέπεια στην παγκόσμια υπερθέρμανση του πλανήτη. Έτσι, η περιβαλλοντική συμπεριφορά των οργανικών μέσων προσδιορίζεται από το πρωτόκολλο του Μόντρεαλ και Κιότο, που θεσπίστηκαν για την προστασία του στρώματος του όζοντος και την αποτροπή των κλιματικών αλλαγών αντίστοιχα. Οι επιπτώσεις των εργαζομένων μέσων στο περιβάλλον καθορίζονται από τα μεγέθη GWP και ODP, τα οποία αντιστοιχούν στο δυναμικό όξυνσης του φαινομένου του θερμοκηπίου και στην ικανότητα μείωσης του όζοντος. Η ικανότητα μείωσης του όζοντος ODP για το εργαζόμενο μέσο του κύκλου Rankine είναι η δυνατότητα ενός μεμονωμένου μορίου του μέσου να καταστρέφει το στρώμα του όζοντος στην ατμόσφαιρα. Σημείο αναφοράς για όλα τα μέσα αποτελεί το οργανικό μέσο R11, όπου ο συντελεστής ODP ισούται με την μονάδα. Το φιλικότερο εργαζόμενο μέσο ως προς την επίδραση του στο ατμοσφαιρικό στρώμα του όζοντος είναι εκείνο με τη χαμηλότερη τιμή του συντελεστή ODP. Το δυναμικό υπερθέρμανσης ή όξυνσης του φαινομένου του θερμοκηπίου GWP είναι ο δείκτης μέτρησης των επιπτώσεων ενός συγκεκριμένου εργαζόμενου μέσου στην υπερθέρμανση του πλανήτη συγκρινόμενο με το CO, όπου ο συντελεστής ισούται με την μονάδα. Ο δείκτης GWP μετριέται σε χρονική περίοδο εκατονταετίας. Όσο μικρότερη είναι η τιμή του δείκτη GWP για ένα οργανικό μέσο τόσο φιλικότερο είναι το μέσο αυτό για το περιβάλλον. Στον πίνακα.5, δίνονται διάφορα οργανικά μέσα με αμελητέα επίπτωση στο όζον της ατμόσφαιρας, δηλαδή στα οποία ο συντελεστής ODP είναι μηδενικός. Επιπρόσθετα, στον ίδιο 4

31 πίνακα παρατίθενται οι αντίστοιχες τιμές του δυναμικού υπερθέρμανση GWP. Όπως διαπιστώνεται, το φιλικότερο εργαζόμενο μέσο για το περιβάλλον είναι το R15a και ακολουθεί το R45ca. Πίνακας.5, Οργανικά μέσα με μηδενική επίπτωση στο στρώμα του όζοντος της ατμόσφαιρας (ODP=0)και οι αντίστοιχες τιμές του συντελεστή GWP [1] Οργανικό Μέσο R14 R3 R3 R116 R15 R134a R143a R15a R18 R7ea R7ca R36ea R45ca RC318 Δυναμικό Υπερθέρμανσης (GWP) Επίσης, ένα ακόμα σημαντικό χαρακτηριστικό των οργανικών μέσων είναι η κατηγοριοποίηση ασφάλειας. Μετά από πολύ προσεκτική ανάλυση η ASHRAE ταξινόμησε τα οργανικά ρευστά σύμφωνα της τοξικότητας τους και της ικανότητας ανάφλεξης. Όσον αφορά την τοξικότητα, η ταξινόμηση γίνεται σε δύο κατηγορίας, Α και Β, η οποία βασίζεται στην επιτρεπτή έκθεση. Στην Κατηγορία Α, όπου το OEL (Occupational Exposure Limit) είναι ίσο ή μεγαλύτερο από 400ppm. Ενώ στην Κατηγορία Β, το OEL είναι μικρότερο από 400ppm. Το OEL είναι ο μέσος σταθμικός χρόνος συγκέντρωσης κοντά σε όλους στους εργαζόμενους, οι οποίοι εργάζονται υπό κανονικές συνθήκες σε οκτάωρη και σαραντάωρη εβδομαδιαία εργασία, και μπορούν να εκτεθούν επανειλημμένα χωρίς δυσμενείς επιπτώσεις. Βασίζεται στο PEL (Permissible Exposure Limit, επιτρεπόμενο όριο έκθεσης), TLV-TWA (Threshold Limit Value, κατώφλι οριακής τιμής, είναι η μέγιστη έκθεση σε οποιαδήποτε τιμή) (Τime-Weighted Average, μέσος σταθμικός χρόνος) ή σχετικές τιμές. Η αναφλεξιμότητα είναι ένας δείκτης που επιτρέπει την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών ανάφλεξης των ρευστών. Διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες. Στην Κατηγορία1, είναι τα μη εύφλεκτα, στα οποία δεν παρατηρείται ανάφλεξη σε οποιαδήποτε 5

32 συγκέντρωση με αέρα θερμοκρασίας 1C και 1,01bar. Στην Κατηγορία, είναι ελεγχόμενα εύφλεκτα, με χαμηλότερο όριο ανάφλεξης μεγαλύτερο από 0,1kgr/m3 σε θερμοκρασία 1C και πίεση 1,01bar, καθώς και θερμότητα καύσης μικρότερη από 19MJ/kgr. Στην Κατηγορία όταν η ταχύτητα της καύσης είναι μικρότερη από 10cm/s τότε αυτή χαρακτηρίζεται L. Τέλος, στην Κατηγορία 3, είναι τα ιδιαίτερα εύφλεκτα ρευστά, όπου σε συνθήκες θερμοκρασίας 1C και πίεσης 1,01bar το όριο ανάφλεξης είναι μικρότερο από 0,1kgr/m3 και η θερμότητα καύσης μεγαλύτερη από 19MJ/kgr. Στον πίνακα.6 φαίνεται η κατηγοριοποίηση ασφάλειας κατά ASHRAE 34. Πίνακας.6, Κατηγορίες ασφάλειας ASHRAE C & kpa Υψηλή αναφλεξιμότητα LFL OR ETFL60 100g/m3 OR HOC 19MJ/kg ASHRAE 34 κατηγορίες ασφάλειας A3 B3 A B AL BL A1 B1 Χαμηλή τοξικότητα OEL 400 ppm Υψηλή τοξικότητα OEL<400 ppm Χαμηλή αναφλεξιμότητα LFL OR ETFL60>100g/m3 & HOC<19MJ/kg Χαμηλή αναφλεξιμότητα LFL OR ETFL60 > 100 g/m3 & HOC<19MJ/kg Με μέγιστη ταχύτητα φλόγας 10 cm/s Μη μετάδοση φλόγας LFL = Lower Flammability Limit, HOC = Heat Of Combustion, ETFL60= Elevated Temperature Flame 60 C, OEL= Occupational Exposure Limit Είναι απαραίτητο να επισημανθεί ότι τα οργανικά μέσα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τη χημική τους σύνθεση στις ακόλουθες γενικές ομάδες [1]: 1) Στους χλωροφθοράνθρακες (CFCs) και υδροχλωροφθοράνθρακες (HCFCs), που κρίνονται ως ακατάλληλοι για την χρήση τους στο σύστημα του κύκλου Rankine εξαιτίας της παρουσίας του χλωρίου στη σύνθεση τους. ) Στους αρωματικούς υδρογονάθρακες, που παρουσιάζουν πολύ καλές θερμικές ιδιότητες αλλά είναι ιδιαίτερα εύφλεκτοι, όπως τουλένιο, βουτάνιο και πεντάνιο. 6

33 3) Στους υδροφθοράνθρακες (HFCs), οι οποίοι είναι εξαιρετικά αδρανείς και σταθεροί αλλά παρουσιάζουν μοριακή πολυπλοκότητα. Ένας άλλος τρόπος ταξινόμησης των εργαζόμενων μέσων γίνεται με βάση την καμπύλη κορεσμένου ατμού. Συγκεκριμένα, το εργαζόμενο μέσο χαρακτηρίζεται «ξηρό» ή «υγρό» όταν η τιμή της παραγώγου dτ/ds είναι θετική ή αρνητική αντίστοιχα. Στην περίπτωση που η κλίση dτ/ds είναι άπειρη, τότε το εργαζόμενο μέσο αποκαλείται «ισεντροπικό» (εικόνες.16,.17). Τα «υγρά» εργαζόμενα μέσα είναι παρόμοια με το νερό, όπου η εκτόνωση από την κατάσταση κορεσμένου ατμού οδηγεί στην συμπύκνωση του μέσου. Αντιθέτως, στα ξηρά και ισεντροπικά μέσα οποιαδήποτε εκτόνωση κορεσμένου ατμού οδηγεί σε υπέρθερμο ατμό. Εικόνα.16, Σχηματική παράσταση ρευστών ανάλογα με την κλίση dt/ds [1] Εικόνα.17, Οι καμπάνες για τρία ρευστά το νερό, το πεντάνιο και το R11 [9] 7

34 Η προηγούμενη επισήμανση είναι σημαντική για την επιλογή του είδους του εκτονωτή στον κύκλο Rankine. Έτσι, τα «υγρά» μέσα είναι ακατάλληλα στον στρόβιλo-εκτονωτή, όταν η εκτόνωση αρχίζει από την κατάσταση του κορεσμένου ατμού, διότι εμφανίζονται συμπυκνώματα στα πτερύγια του κυρίως στο τέλος της εκτόνωσης, όπως φαίνεται στην εικόνα.18. Ακόμα πρέπει να προστεθεί ότι στην περίπτωση που δεν πραγματοποιείται υπερθέρμανση και χρησιμοποιείται ξηρό ρευστό, στο τέλος της εκτόνωσης υπάρχει ακόμα διαθέσιμη θερμότητα από τον υπέρθερμο ατμό που κάνει εφικτή τη χρήση αναγεννητή θερμότητας. Εικόνα.18, Επίδραση της γραμμής κορεσμένου ατμού κατά την φάση της εκτόνωσης Στις εικόνες.19 και.0 γίνεται σύγκριση διάφορων ρευστών σε διάγραμμα T-s. (a) (b) Εικόνα.19, (α) σύγκριση διάφορων ρευστών σε διάγραμμα T-s (b) και σε διάγραμμα T-υ 8

35 Εικόνα.0, Σύγκριση διάφορων μέσων με το νερό Στην εικόνα.1 απεικονίζονται τα θερμοκρασιακά πεδία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα οργανικά μέσα. Εικόνα.1, Θερμοκρασιακές περιοχές χρησιμοποίησης οργανικών μέσων [] Συνοψίζοντας όλα τα παραπάνω, συμπεραίνεται ότι η επιλογή του οργανικού μέσου και ο σχεδιασμός συστήματος ORC είναι μια πολύ δύσκολη υπόθεση, η οποία εξαρτάται από πάρα πολλούς παράγοντες. Έτσι θα πρέπει να συνεξεταστούν πολλές ιδιότητες, μερικές από αυτές φαίνονται στον πίνακα.7, προτού γίνει η επιλογή του μέσου και του συστήματος. 9

36 Πίνακας.7, Ιδιότητες για την επιλογή του οργανικού μέσου και το σχεδιασμό συστήματος ORC [] Θερμοδυναμικές πυκνότητα ενθαλπία εξάτμισης ιξώδες θερμική αγωγιμότητα κρίσιμη θερμοκρασία Περιβαλλοντικές ODP GWP Ασφάλειας τοξικότητα αναφλεξιμότητα Διεργασίας λόγος πιέσεων κρίσιμη πίεση παροχή μάζας θερμότητα συμπύκνωσης Τέλος, συγκρίνοντας τους κύκλους Rankine με ατμό και οργανικό μέσο μπορούμε να πούμε ότι το μεγαλύτερο μειονέκτημα που παρουσιάζει ο ORC είναι η μικρή μετατροπή ενέργειας (10~0%), η οποία οφείλεται κατά κύριο λόγο στην χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας. Τα κυριότερα πλεονέκτημα του ORC σε σχέση με τον κύκλο Rankine με ατμό είναι: 1) Μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας (100~450C) ) Εύκολη εγκατάσταση, εύκολη λειτουργία και πολύ ευπροσάρμοστο 3) Προϋποθέτει μικρή συντήρηση 4) Μικρές μονάδες μπορούν να προσαρμοστούν σε διάφορες θερμικές πηγές 5) Έχουν εύρος από μερικά kwe μέχρι αρκετά MWe. Για παραγωγή μικρότερη των MW η παραγωγή με ατμό δεν υιοθετείται. Στην πράξη, το λειτουργικό και κατασκευαστικό κόστος για την εγκατάσταση του εργοστασίου παραγωγής ενέργειας με ατμό είναι μεγαλύτερο και η απόδοση μικρότερη..6 Κατασκευαστές Η αγορά που εκμεταλλεύεται την τεχνολογία ORC περιλαμβάνει κυρίως μικρές εγκαταστάσεις καύσης βιομάζας, γεωθερμικά πεδία σε μικρές και μεσαίες θερμοκρασίες, μικρά ηλιακά θερμικά εργοστάσια χρησιμοποιώντας παραβολικούς συλλέκτες και ανάκτηση θερμότητας από αποβαλλόμενες πηγές θερμότητας. Όπως φαίνεται και στην εικόνα.a έχει αυξηθεί ο αριθμός της εγκατεστημένης ισχύς από ORC, και στην εικόνα.b φαίνεται η κατανομή των δραστηριοτήτων της εγκατεστημένης ισχύος.

37 (a) (b) Εικόνα. (a) Εξέλιξη της αγοράς ORC, (b) κατανομή των εγκαταστάσεων ORC [15] Οι κυριότερες εταιρίες της αγοράς είναι οι αμερικάνικες εταιρίες (ORMAT, Pratt&Whitney, GE Heat Recovery), η ιταλική αλλά αμερικάνικων συμφερόντων (Turboden ιδιοκτησίας της Pratt&Whitney), οι γερμανικές (Maxxtec, GMK) και η δανέζικη (Tri-O-Gen). 31

38 3. Θερμοδυναμική προσέγγιση 3.1 Εμβολοφόρες μηχανές Τα θερμά καυσαέρια μπορεί να προέρχονται είτε από κινητήρες SI είτε από CI. Για τους κινητήρες SI η μέση θερμοκρασία των καυσαερίων είναι μεταξύ 400~600C και για το πλήρες φορτίο μπορεί να φτάσει μέχρι τους 900C. Στους κινητήρες CI η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι μικρότερη, λόγω της μεγαλύτερης εκτόνωσης, αυτή είναι μεταξύ 00~500C. Στην εικόνα 3.1 φαίνεται μια τυπική κατανομή της ενέργειας του καυσίμου συναρτήσει των στροφών ενός SI κινητήρα. Εικόνα 3.1 Τυπική κατανομή της ενέργειας του καυσίμου συναρτήσει των στροφών ενός κινητήρα SI [7] Η ενέργεια του καυσίμου προσδιορίζεται από την παρακάτω εξίσωση: Ισχύς του καυσίμου= W shaft + W acc + Q exhaust + Q loss Όπου: W shaft είναι η ισχύς εξόδου στον στροφαλοφόρο Q exhaust είναι η θερμότητα των καυσαερίων Q loss είναι άλλες θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον από μεταφορά θερμότητας W ass είναι η ισχύς για την κίνηση άλλων εξαρτημάτων Η ισχύς εξόδου στον στροφαλοφόρο είναι 5~40% με τους κινητήρες CI να έχουν το υψηλότερο όριο και του SI το χαμηλότερο. Η απώλειες θερμότητας από τα καυσαέρια είναι 3

39 0~45%, το μεγαλύτερο ποσοστό των ενεργειακών απωλειών είναι από του κινητήρες SI λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας των καυσαερίων. Η απώλεια θερμότητας των καυσαερίων χωρίζεται σε δύο μέρη, την ενθαλπία (θερμότητα) και την χημική ενέργεια. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί με πλούσιο μίγμα και πλήρες φορτίο, η χημική ενέργεια είναι περίπου η μισή των απωλειών θερμότητας των καυσαερίων. Οι άλλες απώλειες θερμότητας είναι 10~35% και περιλαμβάνουν τις απώλειες θερμότητας προς το σύστημα ψύξης 10~%, προς το σύστημα λίπανσης 5~15% και προς το περιβάλλον ~10%. Η μάζα των καυσαερίων εξαρτάται από τον κυβισμό του κινητήρα, από τις στροφές λειτουργίας του και από την αναπνοή του κινητήρα, δηλαδή αν είναι φυσικής αναπνοής ή υπερπληρούμενος. Στην περίπτωση υπερπληρούμενου κινητήρα θα πρέπει να λάβουμε υπόψη την πίεση του αέρα μετά την υπερπληρωτή. 3. Στοιχεία ORC Τα βασικά στοιχεία ενός ORC είναι η αντλία, ο εξατμιστής, ο εκτονωτής και ο συμπυκνωτής. Στην ανάλυση που θα ακολουθήσει παρακάτω θεωρείται ότι η ροή είναι σταθεροποιημένη, όλες οι συσκευές είναι αδιαβατικές καθώς και η δυναμική και κινητική ενέργεια του ρευστού είναι αμελητέα. Θεωρούνται θετικές η μεταφορά θερμότητας προς το σύστημα και η μεταφορά έργου από το σύστημα. Επίσης, η πτώση πίεσης μέσα στον εξατμιστή, στον συμπυκνωτή και στις σωληνώσεις είναι πολύ μικρή και θεωρείται αμελητέα Αντλία Σκοπός της αντλίας είναι να παραλαμβάνει το μέσο από τον συμπυκνωτή σε χαμηλή πίεση και να το προωθεί προς τον εξατμιστή σε υψηλή πίεση. Το μέσο θα πρέπει να βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. Το ειδικό έργο της αντλίας δίνεται από τον τύπο: wα ν τ λ ία ς = v1 ( P P1 ) [kj/kgr] ο ειδικός όγκος του υγρού μέσου είναι σταθερός λόγω ασυμπίεστης ροής. Το ειδικό έργο της αντλίας μπορεί να δοθεί και ως μεταβολή της ενθαλπίας, wα ν τ λ ία = h h1 [kj/kgr] 33

40 Η μεταβολή στην αντλία δεν είναι ισεντροπική επομένως nα ν τ λ ία ς = h s h1 h h1 έτσι το ειδικό έργο και η ισχύς της αντλίας είναι wα ν τ λ ία ς = h s h1 [kj/kgr] nα ν τ λ ία ς W α ν τ λ ία ς = m ORC wα ν τ λ ία ς [kw] Από το ισοζύγιο εξέργειας, με βάση τις παραδοχές που κάναμε, έχουμε [ολική εξέργεια που εισέρχεται] [ολική εξέργεια που εξέρχεται] [ολική καταστροφή εξέργειας] = [ μεταβολή εξέργειας του συστήματος] X in X out X loss = Χ system έχουμε σταθεροποιημένη ροή επομένως Χ system = 0 X in X out = X heat X work + X mass,in X mass,out [kw] θεωρήσαμε ότι όλες οι συσκευές είναι αδιαβατικές, επομένως X heat = 0 τελικά m in ein m out eout + W = X loss [kw] όπου e i = hi ho To ( s i s o ) [kj/kgr] hi είναι η ενθαλπία του μέσου σε θερμοκρασία Ti si είναι η εντροπία του μέσου σε θερμοκρασίας Ti ho είναι η ενθαλπία του μέσου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Το so είναι η εντροπία του μέσου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Το 34

41 Τελικά, για την αντλία οι εξεργειακές απώλειες είναι: X loss, pump = m ORC To ( s s1 ) [kw] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της αντλίας είναι ζ α ν τ λ ία ς = e e1 T (s s ) = 1 o 1 h h1 h h1 3.. Εξατμιστής Ο ρόλος του εξατμιστή είναι να ανακτά την θερμότητα των καυσαερίων. Το μέσο εισέρχεται σε υγρή κατάσταση και υψηλή πίεση στον εξατμιστή και εξέρχεται σε υψηλή πίεση και σε κατάσταση ατμού. Για την ανάλυση του εξατμιστή θα τον χωρίσουμε σε τρία μέρη ανάλογα με την κατάσταση που βρίσκεται το οργανικό μέσο. Στο μέρος όπου το μέσο βρίσκεται μόνο σε υγρή κατάσταση, στο τμήμα που βρίσκεται σε διφασική κατάσταση και στο τμήμα όπου το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού, εικόνα 3.. Tκαυσ out Tin Τκαυσ in T T Tout Εικόνα 3., Ζώνες του εξατμιστή Στο τμήμα Τin T, το μέσο βρίσκεται σε υγρή κατάσταση, στο τμήμα Τ - Τ το μέσο βρίσκεται σε αλλαγή φάσης, ενώ στο τμήμα Τ Τ out το οργανικό μέσο βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού. Για τον εναλλάκτη, έχουμε σταθεροποιημένη ροή και αδιαβατική διεργασία, ισχύει: E in = E out m ORC (hout hin ) = m κ α υ σ α ε ρ ίο υ (hκ α υ σ,in hκ α υ σ,out ) 35

42 Στην εικόνα 3.3 φαίνεται το προφιλ θερμοκρασίας του μέσου και των καυσαερίων. Εικόνα 3.3, Προφίλ θερμοκρασιών μέσου και καυσαερίου [5] Πολύ σημαντικό ρόλο παίζει η ελάχιστη διαφορά θερμοκρασίας (pinch point) των δύο μέσων, η οποία είναι η διαφορά θερμοκρασίας των καυσαερίων και της θερμοκρασίας βρασμού του μέσου στην πίεση του εναλλάκτη. Το pinch point είναι σημαντική παράμετρος στον σχεδιασμό συστημάτων ORC. Αυτή η διαφορά πρέπει να είναι θετική για να κάνει δυνατό τον εναλλάκτη. Πολύ μικρή τιμή του pinch point συνεπάγεται πιο δύσκολη εναλλαγή θερμότητας με αποτέλεσμα μεγαλύτερο εναλλάκτη. Η απόδοση του εναλλάκτη αυξάνεται, διότι το προφίλ του μέσου προσεγγίζει καλύτερα το προφίλ της θερμοκρασίας των καυσαερίων, και οδηγούμαστε σε μεγαλύτερη ανάκτηση θερμότητας στον εξατμιστή. Μεγάλη τιμή του pinch point οδηγεί σε μικρότερους και πιο οικονομικές λύσεις εξατμιστών. Μηδενική τιμή συνεπάγεται άπειρη επιφάνεια συναλλαγής. Για τα ψυκτικά, ένα καλός κανόνας για το pinch point είναι περίπου 5~10Κ. Στις εφαρμογές ORC το pinch point είναι στενά συνδεδεμένο από τον τύπο του συστήματος και από την θερμοκρασία του θερμοδοχείου. Όπως έχουμε αναφέρει παραπάνω, ο εναλλάκτης χωρίζεται σε τρεις ζώνες. Η ζώνη της υπερθέρμανση εξαρτάται από το τύπο του μέσου, δηλαδή εάν είναι «wet», «dry» ή ισεντροπικό. Στα «wet» ρευστά η υπερθέρμανση είναι απαραίτητη διότι αυξάνει τον βαθμό απόδοσης του κύκλου και μειώνει την περιοχή έκθεσης του εκτονωτή σε σταγονίδια, όπως φαίνεται και από την εικόνα

43 αύξηση του έργου Εικόνα 3.4, Αύξηση του έργου και μείωση του υγρασιακού περιεχομένου λόγω της υπερθέρμανσης σε ORC με «wet» οργανικό μέσο [0] Για τα «dry» ρευστά η υπερθέρμανση επιδρά αρνητικά στον βαθμό απόδοσης ενός κύκλου ORC και δεν συστήνεται. Για τα ισεντροπικά ρευστά η υπερθέρμανση είναι αδιάφορη. Στην εικόνα 3.5 φαίνονται δύο ισοβαρείς καμπύλες και δίνεται η μεταβολή του παραγόμενου έργου για συγκεκριμένη τιμή υπερθέρμανσης. Ο βαθμός απόδοσης n' περιγράφεται από την μεταβολή του έργου προς το ποσό της θερμότητας που προσδίδεται, δίνεται από την σχέση: n' = w h1 h = q h1 Εικόνα 3.5 Επίδραση της υπερθέρμανση σε «dry» οργανικό μέσο [9] Σύμφωνα με τις παραδοχές που κάναμε για αδιαβατικό εναλλάκτη, χωρίς εναλλαγή έργου και σταθεροποιημένη ροή έχουμε από την αρχή διατήρησης της εξέργειας έχουμε: 37

44 m in ein όπου και m out eout = X loss m in ein = m κ α υ σ eκ α υ σ,in + m ORC ein m out eout = m κ α υ σ eκ α υ σ,out + m ORC eout τελικά οι απώλειες εξέργειας είναι: X loss,evapor = To [m κ α υ σ ( sκ α υ σ,out sκ α υ σ,in ) + m ORC ( sout sin )] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης δίνεται από την σχέση: ζ evapor X loss,evapor m ORC (eout ein ) = = 1 m κ α υ σ (eκ α υ σ,in eκ α υ σ,out ) m κ α υ σ (eκ α υ σ,in eκ α υ σ,out ) 3..3 Εκτονωτής Ο εκτονωτής είναι η συσκευή στην οποία θα εκτονωθεί το οργανικό μέσο για να παράγει την ισχύ. Το τέλος της εκτόνωσης, για τα «dry» ρευστά, βρίσκει το μέσο σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού. Στα ισεντροπικά ρευστά, στο τέλος της εκτόνωσης είναι σε οριακή κατάσταση, ενώ τα «wet» ρευστά είναι στην διφασική περιοχή, δηλαδή υπάρχει υγρασιακό περιεχόμενο στον ατμό. Η εκτόνωση δεν είναι ισεντροπική, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.6, και δίνεται από την σχέση: nε κ τ = h1 h h1 h s Το παραγόμενο έργο και η ισχύ του εκτονωτή είναι: wε κ τ = h1 h = nε κ τ (h1 h s ) [kj/kgr] 38

45 Εικόνα 3.6 Ισεντροπική και πραγματική εκτόνωση [14]. και W ε κ τ = m ORC (h1 h ) [kw] Για την εξεργειακή ανάλυση, σύμφωνα με τις παραδοχές, έχουμε W ε κ τ + m ORC (e1 e ) = X loss,ε κ τ και τελικά X loss, ε κ τ = m ORC To ( s1 s ) [kw] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ εκτ = Τ (s s ) h h w = 1 = 1 ο 1 wrev e1 e e1 e 3..4 Συμπυκνωτής Σκοπός του συμπυκνωτή είναι να αποβάλλει τη θερμότητα από τον ORC. Καθώς αποβάλλει την θερμότητα το οργανικό μέσο αλλάζει φάση και στην έξοδο του συμπυκνωτή βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. Και σε αυτήν την περίπτωση μεγάλη σημασία έχει το pinch point. Μικρό pinch συνεπάγεται χαμηλότερη πίεση συμπύκνωσης με αποτέλεσμα να αυξάνεται το όριο εκτόνωση και άρα η παραγωγή έργου. Καλό θα είναι η πίεση λειτουργίας 39

46 του συμπυκνωτή να είναι μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική για να αποκλείεται η είσοδος του αέρα μέσα στον συμπυκνωτή. Το μέσο στην είσοδο του συμπυκνωτή βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού. Καθώς αποβάλλει θερμότητα περνάει στην διφασική περιοχή και στην έξοδο του είναι σε κατάσταση κορεσμένου υγρού ή υπόψυκτου υγρού. Για την μελέτη του θα χωριστεί σε τρεις περιοχές ανάλογα με την κατάσταση που βρίσκεται το μέσο. Στην πρώτη περιοχή του υπέρθερμου ατμού, στην δεύτερη τη διφασική περιοχή και τέλος στο τμήμα του υπόψυκτου υγρού, εικόνα 4.7. Ενώ στην εικόνα 4.8 παρουσιάζεται το προφίλ των θερμοκρασιών του οργανικού μέσου και του μέσου συμπύκνωσης. T Tin T Tout Τσυμπ in Tσυμπ out Εικόνα 3.7, Ζώνες του συμπυκνωτή Tin Τ Tσυμπ,out Tout Tσυμπ,in %Q Εικόνα 3.8, Προφίλ θερμοκρασιών στον συμπυκνωτή. Η ενεργειακή ανάλυση του συμπυκνωτή είναι παρόμοια με αυτήν του εξατμιστή μόνο που σε αυτήν την περίπτωση το θερμό ρεύμα είναι το οργανικό μέσο και το ψυχρό είναι το μέσο συμπύκνωσης, έτσι προκύπτει: m ORC (hin hout ) = m σ υ µ π (hσ υ µ π,out hσ υ µ π,in ) 40

47 Οι εξεργειακές απώλειες στον συμπυκνωτή είναι: X loss,cond = To [m σ υ µ π ( sσ υ µ π,out sσ υ µ π,in ) + m ORC ( s out sin )] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ cond = m σ υ µ π (eσ υ µ π,out eσ υ µ π,in ) m ORC (ein eout ) 3..5 Αναγεννητής Σκοπός του αναγεννητή είναι να εκμεταλλεύεται την θερμότητα του οργανικού μέσου μετά την έξοδο από τον εκτονωτή και πριν εισέλθει στον συμπυκνωτή, για να προθερμάνει το οργανικό μέσο πριν εισέλθει στον εξατμιστή. Όπως έχει ειπωθεί παραπάνω, στο τέλος της εκτόνωσης, στην περίπτωση «dry» ρευστών, το οργανικό μέσο βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού, περιέχει τέτοια θερμότητα, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προθερμάνει το μέσο πριν αυτό εισέλθει στον εξατμιστή. Και στα δύο ρεύματα του εναλλάκτη επικρατεί μόνο μια φάση. Στην εικόνα 3.9 φαίνεται ένας αναγεννητής. Thot, out Τhot,in Tcold,in Tcold,out Εικόνα 3.9 Αναγεννητής θερμότητας Για την ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση ισχύ το ίδιο όπως και με τους άλλους δύο εναλλάκτες (εξατμιστή και συμπυκνωτή). Έτσι, από το ισοζύγιο ενέργειας έχουμε: Ε in = Ε out (hhot,in hhot,out ) = (hcold,out hcold,in ) 41

48 Οι εξεργειακές απώλειες στον αναγεννητή είναι: X loss,α ν α γ ε ν ν η τ ή = To m ORC [( s cold,out s cold,in ) + ( s hot,out s hot,in )] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ α ν α γεν νη τή = ecold,out ecold,in ehot,in ehot,out 3..6 Χρησιμοποίηση δύο πηγών θερμότητας Όπως έχει αναφερθεί, στον ORC μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκτός από την θερμότητα των καυσαερίων και η θερμότητα του ψυκτικού υγρού του κινητήρα, η οποία είναι σε μικρότερη θερμοκρασία από τα καυσαέρια. Το μέσο προθερμαίνεται και εξέρχεται από τον εναλλάκτη σε μορφή κορεσμένου υγρού, δηλαδή δεν έχουμε αλλαγή φάσης του μέσου. Στην εικόνα 3.10 απεικονίζεται η χρησιμοποίηση δύο πηγών θερμότητας. Εικόνα 3.10, Χρησιμοποίηση δύο πηγών θερμότητας, από τα καυσαέρια και από το ψυκτικό υγρό του κινητήρα [6] Από το ισοζύγιο ενέργειας, για σταθεροποιημένη ροή και αδιαβατική διεργασία, ισχύει: E in = E out m ORC (hout hin ) = m water ( hwater,in hwater,out ) 4

49 οι εξεργειακές απώλειες αυτού του εναλλάκτη είναι: X loss,w = To [m water ( s water,out s water,in ) + m ORC ( s out sin )] και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του ου εναλλάκτη είναι: ζ w = m ORC (eout ein ) m water (e water,in e water,out ) 3.3 Οργανικοί Κύκλοι Rankine (ORC) Απλός ORC Ένας απλός ORC αποτελείται από μια αντλία, έναν εξατμιστή, έναν εκτονωτή και έναν συμπυκνωτή. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, στην περίπτωση «dry» και ισεντροπικού οργανικού μέσου δεν χρειάζεται υπερθέρμανση. Έτσι, στο τέλος του εξατμιστή το οργανικό μέσο θα βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμένου ατμού. Η ποσότητα του μέσου ρυθμίζεται σε τέτοιο επίπεδο ώστε να μην δημιουργείται υπόψυξη, επομένως το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμένου υγρού στην είσοδο της αντλίας. Ένας απλός ORC φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 3.11 Σχηματική απεικόνιση απλού ORC με το διάγραμμα T-s [1] 43

50 Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης είναι: n= W ε κ τ W α ν τ λ ία ς (h h4 ) (h h1 ) = 3 h3 h Q in Οι συνολικές εξεργειακές απώλειες είναι: X loss = X loss,α ν τ λ ία ς + X loss,evap + X loss,ε κ τ ο ν + X loss,cond και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας είναι: ζ p = ( wt ) e e3 και ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ = ζ με ζ p ζ evapor evapor = m ORC (e3 e ) m κ α υ σ (eκ α υ σ,in eκ α υ σ, out ) 3.3. ORC με αναγέννηση Αν στον απλό ORC προστεθεί ένας εναλλάκτης θερμότητας ο οποίος θα χρησιμοποιεί την θερμότητα του μέσου, όταν αυτό εξέρχεται από τον εκτονωτή και πριν εισέλθει στον συμπυκνωτή, για να προθερμάνει το οργανικό μέσο πριν εισέλθει στον εξατμιστή, τότε κατασκευάζουμε τον ORC με αναγέννηση. Με αυτόν τον τρόπο καταρχήν μειώνεται το μέγεθος του συμπυκνωτή, διότι ένα μέρος από την θερμότητα η οποία αποβαλλόταν, τώρα αξιοποιείται για την προθέρμανση του μέσου. Επίσης, πετυχαίνουμε και την αύξηση του βαθμού απόδοσης. Στην εικόνα 3.1a φαίνεται τα στοιχεία ενός ORC με αναγέννηση και στις (b), (c) απεικονίζεται το διάγραμμα T-s για μέσο «dry» και «wet» αντίστοιχα. 44

51 (a) (b) (c) Εικόνα 3.1, (α) στοιχεία ORC με αναγέννηση, (β) διάγραμμα T-s για dry ρευστό σε ORC με αναγέννηση, (γ) διάγραμμα T-s για wet ρευστό σε ORC με αναγέννηση [0] ο θερμικός βαθμός απόδοσης δίνεται από την σχέση: n= W ε κ τ W α ν τ λ ία ς (h h4 ) ( h h1 ) = 3 h3 h a Q in Οι συνολικές εξεργειακές απώλειες δίνονται από την σχέση: X loss = X loss,α ν τ λ ία ς + X loss,evap + X loss,ε κ τ ο ν + X loss,cond + X loss,α ν α γ ε ν ν η τ ή και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας είναι: ζ p = ( wt ) (e 3 e a ) 45

52 και ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ = ζ με ζ p ζ evapor evapor = m ORC (e3 e a ) m κ α υ σ (eκ α υ σ,in eκ α υ σ,out ) Υπερκρίσιμος ORC Στην εικόνα 3.13 απεικονίζονται τα στοιχεία και το διάγραμμα T-s ενός υπερκρίσιμου ORC. Στον υπερκρίσιμο ORC o εξατμιστής λειτουργεί σε μεγαλύτερη πίεση από την κρίσιμη πίεση του οργανικού μέσου. Όπως φαίνεται και από την εικόνα 3.14, τόσο η επιλογή του μέσου όσο και η θερμοκρασία εξόδου από τον εξατμιστή έχει πολύ μεγάλη σημασία. Στην περίπτωση των «dry» ρευστών κατά την διάρκεια της εκτόνωσης υπάρχει πιθανότητα να εισέλθει το ρευστό στην υγρή περιοχή με αποτέλεσμα την ύπαρξη σταγονιδίων, ενώ για τα «wet» ρευστά σταγονίδια δημιουργούνται κυρίως στο τέλος της εκτόνωσης. Εικόνα 3.13, Υπερκρίσιμος ORC [1] 46

53 (a) (b) Εικόνα 3.14, Υπερκρίσιμος ORC (a) «dry» μέσο, (b) «wet» μέσο [9] Ακόμα, στην περίπτωση των υπερκρίσιμων συνθηκών, πετυχαίνεται καλύτερη αξιοποίηση της θερμής πηγής και μικρότερες εξεργειακές απώλειες σε σχέση με την περίπτωση των υποκρίσιμων συνθηκών. Αυτό οφείλεται στο θερμοκρασιακό προφίλ του μέσου και την πηγής, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.15a. Τα δύο θερμοκρασιακά προφίλ είναι πολύ κοντά μεταξύ τους και η καμπύλη του μέσου προσεγγίζει καλύτερα αυτή της θερμής πηγής, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι εξεργειακές απώλειες. Η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της θερμής πηγής και του μέσου είναι μικρή και διατηρείται σε μεγάλο τμήμα του εναλλάκτη. Αυτό οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η ατμοποίηση του εργαζόμενου μέσου, η οποία γίνεται στιγμιαία γύρω από την κρίσιμη θερμοκρασία. Ενώ, στην περίπτωση των υποκρίσιμων συνθηκών (εικόνα 3.15b), η ατμοποίηση γίνεται με σταθερή θερμοκρασία (οριζόντιο τμήμα του διαγράμματος). Το θερμοκρασιακό προφίλ του μέσου δεν προσεγγίζει ικανοποιητικά την θερμή πηγή κυρίως στο τμήμα του εναλλάκτη που πραγματοποιείται η ατμοποίηση του μέσου. Η ελάχιστη θερμοκρασιακή διαφορά βρίσκεται στο σημείο όπου αρχίζει η ατμοποίηση του μέσου. Έτσι, λόγω των θερμοκρασιακών προφίλ, στην περίπτωση υπερκρίσιμου εναλλάκτη, θεωρητικά αναμένεται μείωση των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας, πράγμα που επιβάλλει μεγαλύτερες επιφάνειες συναλλαγής και κατά συνέπεια αύξηση του κόστους του εναλλάκτη. 47

54 (a) (b) Εικόνα 3.15, (α) Θερμοκρασιακό προφίλ σε υπερκρίσιμες συνθήκες, (β) θερμοκρασιακό προφίλ σε υποκρίσιμες συνθήκες [18] Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης είναι: n= W ε κ τ W α ν τ λ ία ς (h h4 ) (h h1 ) = 3 h3 h Qin Οι συνολικές εξεργειακές απώλειες είναι: X loss = X loss,α ν τ λ ία ς + X loss,evap + X loss,ε κ τ ο ν + X loss,cond και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας είναι: ζ p = ( wt ) e e3 και ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ = ζ με ζ p ζ evapor evapor = m ORC (e3 e ) m κ α υ σ (eκ α υ σ,in eκ α υ σ, out ) 48

55 3.3.4 ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης και μίας δεύτερης θερμής πηγής. Έτσι, εκτός από τα θερμά καυσαέρια του κινητήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και το νερό ψύξης του κινητήρα. Αυτή η δεύτερη πηγή είναι αρκετά υψηλή από πλευράς ποσότητας αλλά ποιοτικά είναι χαμηλή. Στην εικόνα 3.16 φαίνεται μια εγκατάσταση ORC η οποία εκμεταλλεύεται δύο πηγές θερμότητας. ης πηγής α εξατμιστή αντλία εκτονωτής συμπυκνωτής Εικόνα 3.16, Κύκλωμα ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας [3] Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης είναι: n= W ε κ τ W α ν τ λ ία ς ( h3 h4 ) (h h1 ) = Q in (h3 hα ) + (h a h ) Οι συνολικές εξεργειακές απώλειες είναι: X loss = X loss,α ν τ λ ία ς + X loss,evap + X loss, π η γ ή + X loss,ε κ τ ο ν + X loss,cond και ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας είναι: ζ p = ( wt ) e e3 49 κινητήρας

56 και ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: ζ = ζ p ζ ' Στο κύκλωμα η εξέργεια που παρέχεται προέρχεται από δύο πηγές επομένως ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι ζ '= m κ α υ σ (eκ α υ σ,in m ORC (e3 e ) eκ α υ σ,out ) + m ν ε ρ ο ύ (eν ε ρ ο ύ,in eν ε ρ ο ύ,out ) 3.4 Κατανόηση της συμπεριφοράς του ORC Σε αυτήν την παράγραφο αναλύεται ένα συνήθης ORC που χρησιμοποιεί θετικού εκτοπίσματος αντλία και εκτονωτή. Αυτό βοηθάει να κατανοηθεί πως επηρεάζονται οι ειδικές παράμετροι από μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας [14]. α) η ροή μάζας, από την στιγμή που η αντλία είναι θετικού εκτοπίσματος, επιβάλλει ροή όγκου. Το ρευστό είναι σε υγρή κατάσταση, επομένως ασυμπίεστο, και η ροή μάζας προσδιορίζεται από την αντλία, η οποία καθορίζεται από τον όγκο εμβολισμού της και την ταχύτητα περιστροφή της. β) πίεση εξατμιστή, από τη στιγμή που έχουμε εκτονωτή θετικού εκτοπίσματος, ο όγκος του μέσου που αναρροφάται είναι συγκεκριμένος. Αυτή η τιμή ελέγχεται από τον όγκο εμβολισμού. Έτσι η ροή μάζας επιβάλλεται από την ταχύτητα περιστροφής του εκτονωτή και την ταχύτητα περιστροφής της αντλίας. Η πίεση στον εκτονωτή επιβάλλεται από την ταχύτητα περιστροφής της αντλίας για δεδομένη ροή της αντλίας, ενώ η μείωση της ταχύτητας περιστροφής του εκτονωτή οδηγεί σε μεγαλύτερη πίεση εξατμιστή. γ) υπερθέρμανση, η ροή και η πίεση του ρυθμίζονται από την αντλία και τον εκτονωτή. Η συνολική μεταφορά θερμότητας προσδιορίζεται από την θερμοκρασία εξάτμισης και την ροή του ζεστού ρεύματος. δ) θερμοκρασία συμπύκνωσης, είναι η θερμοκρασία του ρευστού όταν αποχωρεί από τον εκτονωτή. Αυτή επιβάλλεται από την απόδοση του εκτονωτή και από τις απώλειες θερμότητας του εκτονωτή προς το περιβάλλον. ε) υπόψυξη συμπυκνώματος, η μάζα του ρευστού σε κατάσταση ατμού είναι αμελητέα 50

57 συγκρινόμενη με την μάζα του υγρού. Φορτίζοντας με μεγαλύτερη ποσότητα εργαζόμενου μέσου το κύκλωμα, αυξάνεται η ποσότητα του μέσου σε υγρή κατάσταση και τα επίπεδα των υγρών στους εναλλάκτες. Εάν οι συνθήκες εξάτμισης είναι συγκεκριμένες (πίεση και υπερθέρμανση), το επίπεδο του υγρού στον εξατμιστή είναι περίπου το ίδιο για το λόγο ότι το ρευστό χρειάζεται συγκεκριμένη περιοχή ανταλλαγής θερμότητας για να εξατμιστεί και να υπερθερμανθεί. Έτσι, σε αυτήν την περίπτωση θα αυξηθεί το επίπεδο υγρού στον συμπυκνωτή μόνο και επομένως η ζώνη υπόψυξης. Η υπόψυξη του συμπυκνωτή επιβάλλεται από την φόρτιση του μέσου στο σύστημα. στ) πίεση συμπύκνωσης, όπως προειπώθηκε, η θερμοκρασία συμπύκνωσης επιβάλλεται από τον εκτονωτή και η θερμοκρασία υπόψυξης από την φόρτιση του κυκλώματος. Ο ρυθμός εναλλαγής θερμότητας στον συμπυκνωτή εξαρτάται από το pinch point. Μειώνοντας το pinch point οδηγούμαστε σε μικρότερη θερμοκρασία συμπύκνωσης και χαμηλότερη πίεση στον συμπυκνωτή. Ίδια θα είναι η επίδραση εάν μειωθεί η θερμοκρασία του ψυχρού μέσου. Έτσι, η πίεση συμπύκνωσης επιβάλλεται από το pinch point, από την θερμοκρασία του ψυχρού μέσου και την ροή του. ζ) πτώση πίεσης, η πτώση πίεσης επηρεάζεται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των εναλλακτών θερμότητας και τη ροή μάζας. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.17, ο πραγματικός ORC διαφοροποιείται λίγο από τον θεωρητικό ORC μη λαμβάνοντας υπόψη την πτώση πίεσης. Εικόνα 3.17, Διαφοροποίηση του ORC από την επίδραση της πτώσης πίεσης στο κύκλωμα [14] 51

58 3.5 Οικονομική Προσέγγιση Το συνολικό κόστος της εγκατάστασης είναι το άθροισμα του κόστους κάθε στοιχείου της εγκατάστασης. Τα στοιχεία μια απλής εγκατάστασης είναι ο προθερμαντήρας, ο εξατμιστής, ο εκτονωτής, ο αναγεννητής, ο συμπυκνωτής και η αντλία. Το κόστος των εναλλακτών θερμότητας βασίζεται στην επιφάνεια συναλλαγής ( /m), ενώ βασίζεται στην ισχύ ( /kw). Το συνολικό κόστος επένδυσης είναι [6]: I tot = Cπ ρ ο θ + C evapor + Cε κ τ + Cα ν α γ ε ν + C cond + Cα ν τ λ ία για τους εναλλάκτες C i = ci A Α είναι η επιφάνεια συναλλαγής σε m και ci είναι το κόστος /m Ενώ για την αντλία και τον εκτονωτή Cj = cjp Ρ είναι η ισχύς σε kw και cj το κόστος /kw. Με την μέθοδο την Καθαρής Παρούσας Αξίας θα διερευνηθεί αν η επένδυση είναι βιώσιμη και σε αυτήν την περίπτωση πότε γίνεται η απόσβεση της. Η απόσβεση της επένδυσης γίνεται όταν η ΚΠΑ πάρει την τιμή μηδέν μετά από n έτη. Ο τύπος της ΚΠΑ είναι: Κ Π Α = Ι τοτ + n i= 0 B (1 + d ) n όπου Ιtot είναι το συνολικό κόστος επένδυσης B ετήσιο όφελος από το σύστημα ORC d επιτόκιο προεξόφλησης n έτη 5

59 Το σύστημα ORC λειτουργεί σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα. Επομένως, πολλαπλασιάζοντας την καθαρή παραγόμενη ισχύ με τις ώρες λειτουργίας του κινητήρα υπολογίζεται η ετήσια παραγωγή σε kwh. Θεωρώντας μια σταθερή τιμή πώλησης του παραγόμενου ρεύματος στο δίκτυο της ΔΕΗ, σε /kwh, υπολογίζονται τα συνολικά ετήσια έσοδα από την λειτουργία του ORC. 53

60 4. Εφαρμογή ORC σε ΜΕΚ Σε κινητήρα της MAN, τεχνικά χαρακτηριστικά του οποίου παρατίθενται στο παράρτημα II, γίνεται εφαρμογή τεσσάρων παραλλαγών του ORC. Του απλού ORC, του υπερκρίσιμου ORC, του ORC με αναθέρμανση και του ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας. Η κύρια πηγή θερμότητας προέρχεται από τα καυσαέρια, ενώ στην τέταρτη περίπτωση χρησιμοποιείται και η θερμότητα από το κύκλωμα ψύξης του κινητήρα. Σε όλες τις εφαρμογές θα χρησιμοποιηθούν έξι οργανικά ρευστά, όπου στον πίνακα 4.1 φαίνεται ο χημικός τους τύπος, η κρίσιμη θερμοκρασία, πίεση και ειδικός όγκος καθώς και το μοριακό βάρος κάθε ρευστού. Όλες οι θερμοδυναμικές ιδιότητες υπολογίζονται από την βάση δεδομένων RefProp του NIST. Επίσης, στον πίνακα 4. παρουσιάζονται οι δείκτες ODP, WDP και η κατηγορία επικινδυνότητας. Στην εικόνα 4.1(a) παρουσιάζονται σε εικόνα T-s τα εξεταζόμενα οργανικά ρευστά και στην εικόνα 4.1 (b) παρουσιάζονται σε εικόνα h-s. Πινάκας 4.1, Ιδιότητες των οργανικών ρευστών Product Μοριακός Name Επιστημονικό όνομα τύπος,-dichloro-1,1,1hcfc-13 trifluoroethane CHF3Cl Tc [ C] Pc [bar] vc [m3/kg] MW [kg/mol] , ,153 HCFC-141b 1,1-dichloro-1-fluoroethane CH3FCl , ,117 HCFC-1 dichlorofluoromethane 1,1,,,3pentafluoropropane 1,1,1,3,3pentafluoropropane 1,1,1,3,3pentafluorobutane CHFCl , ,103 C3H3F , ,134 C3H3F , ,134 C4H5F , ,148 HFC-45ca HFC-45fa HFC365mfc Πίνακας 4., Χαρακτηριστικά των οργανικών ρευστών ASHREA τύπος number ODP HCFC R-13 0,04 HCFC R141b 0,0 HCFC R-1 0,1 HFC R-45ca 0 HFC R-45fa 0 HFC R-365mfc 0 54 GWP atmospheric life (years) 1,7 1,3 9,3 6, 7,6 8,6 ASHRAE 34 safety group B1 A B1 B1

61 T [C] R45ca R1 HFC365mfc R45fa R141b R ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα 4.1(a), Εικόνα T-s των εργαζόμενων ρευστών h [kj/kgr K] R13 R141b R45fa HFC365mfc R1 450 R45ca ,3 1,7,1 s [kj/kgr K] Εικόνα 4.1(b), Εικόνα h-s των εργαζόμενων ρευστών Κατά την υπολογιστική διαδικασία τα μόνα γνωστά δεδομένα είναι η θερμοκρασία και η παροχή των καυσαερίων, η θερμοκρασία και η παροχή του ψυκτικού υγρού καθώς και η κατανάλωση καυσίμου. Στον ORC θεωρήθηκε ότι οι βαθμοί απόδοσης της αντλίας και του εκτονωτή είναι 0,75. Υπερθέρμανση πραγματοποιείται μόνο για το R1, επειδή είναι «wet» 55

62 ρευστό και δεν πραγματοποιείται υπόψυξη σε κανένα μέσο. Η πίεση κατάθλιψης είναι τα bar για τους υποκρίσιμους εξατμιστές ενώ για τους υπερκρίσιμους εξατμιστές η πίεσης είναι 1bar μεγαλύτερη από την εκάστοτε κρίσιμη πίεση του μέσου. 4.1 Απλός ORC Η εγκατάσταση του απλού ORC φαίνεται στην εικόνα 4.. Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, σε κατάσταση κορεσμένου υγρού το μέσο εισέρχεται στην αντλία, ανυψώνεται η πίεση του και εισέρχεται στον εξατμιστή. Στην έξοδο του εξατμιστή το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμένου ατμού ή υπέρθερμου ατμού, ανάλογα με το οργανικό μέσο που χρησιμοποιείται. Μετά τον εξατμιστή το μέσο εισέρχεται στον εκτονωτή. Στο τέλος της εκτόνωσης το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθερμου ατμού και εισέρχεται στον συμπυκνωτή. Αφού συμπυκνωθεί το μέσο και σε κατάσταση κορεσμένου υγρού αναρροφάτε από την αντλία για να συνεχίσει τον κύκλο. καυσαέρια καυσαέρια 10C εξατμιστής αντλία εκτονωτής συμπυκνωτής 5 6 Εικόνα 4., Εγκατάσταση απλού ORC Τα διαγράμματα T-s των απλών ORC για κάθε εξεταζόμενο οργανικό μέσο παρουσιάζονται στο Παράρτημα Ι μαζί με τους πίνακες όπου φαίνεται η κατάσταση του μέσου σε κάθε σημείο της εικόνας 4.. Στους πίνακες 4.3, 4.4 και 4.5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα εξεταζόμενα μέσα. 56

63 Πίνακας 4.3, Αποτελέσματα για απλό ORC στις 1500rpm και στο 50% του φορτίου λειτουργίας στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 50 θερμοκρασία καυσαερίων C 470 ισχύς κινητήρα kw 55 μηχανικός βαθμός απόδοσης 36,50% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 385, , , ,773 36, ,15 ισχύς εκτονωτή kw 4,494 4,789 4,55 5,036 5,665 4,40 ισχύς αντλία kw 0,168 0,196 0,18 0,178 0,155 0,188 net power kw 4,36 4,593 4,343 4,859 5,510 4,05 ισχύς συμπυκνωτής kw 4,674 4,407 4,657 4,141 3,490 4,948 bsfc χωρίς ORC 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 bsfc 0,185 0,185 0,185 0,184 0,18 0,186 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κυκλικής διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 0,537 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 0,140 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,470 0,507 0,413 0,553 0,483 0,53 συνολικός εξεργειακός βα 0,5 0,34 0,6 0,343 0,389 0,86 ολικός βαθμός απόδοσης 0,394 0,395 0,394 0,397 0,40 0,39 Πίνακας 4.4, Αποτελέσματα για απλό ORC στις 1500rpm και στο 75% φορτίου λειτουργίας στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 75 θερμοκρασία καυσαερίων C 465 ισχύς κινητήρα kw 83 μηχανικός βαθμός απόδοσης 38% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 65,59 764, , , ,848 ισχύς εκτονωτή kw 7,83 7,761 7,334 8,16 9,181 ισχύς αντλία kw 0,73 0,317 0,96 0,88 0,51 net power kw 7,011 7,444 7,039 7,874 8,931 ισχύς συμπυκνωτής kw 39,989 39,556 39,961 39,16 38,069 bsfc χωρίς ORC 0,193 0,193 0,193 0,193 0,193 bsfc 0,178 0,177 0,178 0,176 0,174 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κυκλικής διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,471 0,508 0,414 0,554 0,484 συνολικός εξεργειακός βα 0,6 0,35 0,7 0,343 0,390 ολικός βαθμός απόδοσης 0,41 0,414 0,41 0,416 0,41 57 HFC365mfc 617,685 6,87 0,5 6,567 40,433 0,193 0,179 0,537 0,140 0,533 0,86 0,410

64 Πίνακας 4.5, Αποτελέσματα για απλό ORC στις 1500rpm και στο 100% του φορτίου λειτουργίας στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 100 θερμοκρασία καυσαερίων C 450 ισχύς κινητήρα kw 110 μηχανικός βαθμός απόδοσης 39% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 851, ,43 909,03 791, ,11 841,103 ισχύς εκτονωτή kw 9,918 10,569 9,987 11,115 1,50 9,358 ισχύς αντλία kw 0,371 0,43 0,403 0,39 0,341 0,416 net power kw 9,546 10,137 9,585 10,73 1,161 8,94 ισχύς συμπυκνωτής kw 54,454 53,863 54,415 53,77 51,839 55,058 bsfc χωρίς ORC 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 bsfc 0,176 0,175 0,176 0,174 0,17 0,177 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κυκλικής διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 0,537 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 0,140 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,480 0,518 0,4 0,564 0,493 0,543 συνολικός εξεργειακός βα 0,311 0,331 0,313 0,350 0,397 0,9 ολικός βαθμός απόδοσης 0,44 0,46 0,44 0,48 0,433 0,4 Όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 4.3, η παροχή μάζας για κάθε οργανικό μέσο αυξάνεται συναρτήσει του φορτίου του κινητήρα. Σε χαμηλό φορτίο η παροχή μάζας των μέσων είναι περίπου ίδια και όσο αυξάνεται το φορτίο διαφοροποιείται περισσότερο, με το R13 να παρουσιάζει την μεγαλύτερη αύξηση της παροχής μάζας του συναρτήσει του φορτίου. Από την εικόνα 4.4 φαίνεται ότι όσο αυξάνεται το φορτίο τόσο αυξάνεται και η παραγόμενη καθαρή ισχύς, με το R1 σε πλήρες φορτίο του κινητήρα να ξεπερνά τα 1kW ενώ στα υπόλοιπα μέσα είναι περίπου στα 10kW. παροχή μάζας kgr/h R45ca R R45fa 600 R141b 400 R1 00 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.3, Παροχή μάζας του μέσου συναρτήσει του φορτίου του κινητήρα

65 14 net power kw 1 R45ca 10 R13 8 R45fa 6 R141b R1 4 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.4, Καθαρή παραγόμενη ισχύς συναρτήσει του φορτίου του κινητήρα Στην εικόνα 4.5 παρουσιάζεται ο θερμικός βαθμός απόδοσης του ORC για κάθε εξεταζόμενο μέσο. Το μεγαλύτερο θερμικό βαθμό απόδοσης τον παρουσιάζει το R1 ενώ τον μικρότερο το HFC 365mfc. Στην εικόνα 4.6 φαίνεται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας με το R1 να παρουσιάζει τον μεγαλύτερο και το HFC365mfc τον μικρότερο. Στην εικόνα 4.7 παρουσιάζεται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή και στην εικόνα 4.8 ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης του απλού κύκλου ORC. Τέλος, στην εικόνα 4.9 παρουσιάζεται η ειδική κατανάλωση καυσίμου του κινητήρα χωρίς την εφαρμογή του ORC και με την εφαρμογή του. Καταρχήν, παρατηρείται μείωση στην ειδική κατανάλωση καυσίμου με την χρήση ORC και η μεγαλύτερη μείωση παρουσιάζεται όταν χρησιμοποιείται το μέσο R1. Επίσης, σε όλα τα μέσα και για φορτίο λειτουργίας μεγαλύτερο από 80% η ειδική κατανάλωση καυσίμου είναι σχεδόν σταθερή. Εικόνα 4.5, Θερμικός βαθμός απόδοσης απλού ORC 59

66 εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή Εικόνα 4.6, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας σε απλό ORC 0,6 R45ca R13 R45fa 0,5 R141b R1 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.7, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,45 R45ca R13 R45fa 0,35 R141b R1 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.8, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης απλού ORC

67 0,05 bsfc kgr/kwh 0, R45ca R13 0,195 R45fa 0,19 R141b 0,185 R1 0,18 HFC365mfc 0,175 χωρίς ORC 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.9, Ειδική κατανάλωση καυσίμου συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας 4. Υπερκρίσιμος ORC Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, η εγκατάσταση του υπερκρίσιμου ORC είναι ίδια με αυτήν του απλού ORC με την μόνη διαφορά ότι ο εξατμιστής λειτουργεί σε υπερκρίσιμες συνθήκες, δηλαδή η πίεση που επικρατεί στον εξατμιστή είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη πίεση του μέσου. Στους πίνακες 4.6, 4.7, 4.8 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα εξεταζόμενα μέσα. Στο Παράρτημα Ι παρουσιάζονται οι υπερκρίσιμοι ORC με τα σημεία κατάστασης των εργαζόμενων μέσων. Πίνακας 4.6, Αποτελέσματα για υπερκρίσιμο ORC στις 1500rpm και στο 50% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 50 θερμοκρασία καυσαερίων C 470 ισχύς κινητήρα kw 55 μηχανικός βαθμός απόδοσης 36,50% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 377, , ,4 370,310 ισχύς εκτονωτή kw 4,744 4,998 4,737 5,373 5,655 ισχύς αντλία kw 0,3 0,45 0,5 0,59 0,87 net power kw 4,51 4,753 4,51 5,114 5,367 ισχύς συμπυκνωτής kw 4,479 4,47 4,488 3,886 3,633 bsfc χωρίς ORC 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 bsfc 0,185 0,184 0,185 0,183 0,18 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,65 0,643 0,740 0,68 0,709 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,156 0,164 0,156 0,176 0,185 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,489 0,5 0,4 0,575 0,534 συνολικός εξεργειακός βα 0,319 0,335 0,318 0,361 0,379 ολικός βαθμός απόδοσης 0,395 0,397 0,395 0,399 0, HFC365mfc 364,438 4,334 0,03 4,131 4,869 0,00 0,186 0,535 0,14 0,545 0,91 0,39

68 Πίνακας 4.7, Αποτελέσματα για υπερκρίσιμο ORC στις 1500rpm και στο 75% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 75 θερμοκρασία καυσαερίων C 465 ισχύς κινητήρα kw 83 μηχανικός βαθμός απόδοσης 38% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 611, , , , ,158 ισχύς εκτονωτή kw 7,689 8,100 7,676 8,708 9,165 ισχύς αντλία kw 0,36 0,397 0,364 0,419 0,466 net power kw 7,37 7,703 7,313 8,89 8,699 ισχύς συμπυκνωτής kw 39,673 39,97 39,687 38,711 38,1 bsfc χωρίς ORC 0,193 0,193 0,193 0,193 0,193 bsfc 0,177 0,176 0,177 0,175 0,174 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,65 0,643 0,740 0,68 0,709 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,156 0,164 0,156 0,176 0,185 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,490 0,53 0,431 0,576 0,535 συνολικός εξεργειακός βα 0,30 0,336 0,319 0,36 0,379 ολικός βαθμός απόδοσης 0,414 0,415 0,413 0,418 0,40 Πίνακας 4.8, Αποτελέσματα για υπερκρίσιμο ORC στις 1500rpm και στο 100% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 100 θερμοκρασία καυσαερίων C 450 ισχύς κινητήρα kw 110 μηχανικός βαθμός απόδοσης 39% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 83, ,70 886, ,60 817,37 ισχύς εκτονωτή kw 10,470 11,09 10,453 11,858 1,479 ισχύς αντλία kw 0,493 0,541 0,496 0,571 0,634 net power kw 9,977 10,489 9,957 11,87 11,845 ισχύς συμπυκνωτής kw 54,03 53,511 54,043 5,713 5,155 bsfc χωρίς ORC 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 bsfc 0,175 0,174 0,175 0,173 0,17 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,65 0,643 0,740 0,68 0,709 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,156 0,164 0,156 0,176 0,185 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,499 0,53 0,439 0,586 0,545 συνολικός εξεργειακός βα 0,35 0,34 0,35 0,368 0,386 ολικός βαθμός απόδοσης 0,45 0,47 0,45 0,4 0,43 HFC365mfc 590,641 7,04 0,39 6,695 40,5 0,193 0,178 0,535 0,14 0,546 0,9 0,411 HFC365mfc 804,77 9,565 0,448 9,117 54,883 0,191 0,176 0,535 0,14 0,556 0,97 0,4 Όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 4.10, η παροχή μάζας για κάθε οργανικό μέσο αυξάνεται συναρτήσει του φορτίου του κινητήρα. Σε χαμηλό φορτίο η παροχή μάζας των 6

69 μέσων είναι περίπου ίδια και όσο αυξάνεται το φορτίο παρατηρείται διαφοροποίηση για το R13, το οποίο παρουσιάζει και την μεγαλύτερη παροχή μάζας στο 100% του φορτίου λειτουργίας. Από την εικόνα 4.11 φαίνεται ότι όσο αυξάνεται το φορτίο τόσο αυξάνεται και η παραγόμενη καθαρή ισχύς, σε πλήρες φορτίο του κινητήρα όλα τα μέσα εκτός από το HFC365mfc έχουν καθαρή παραγόμενη ισχύ μεταξύ 10 και 1kW. Ενώ για το HFC 365mfc είναι περίπου 9kW. παροχή μάζας kgr/h R45ca R R45fa 600 R141b 400 R1 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.10, Παροχή μάζας του μέσου συναρτήσει του φορτίου 14 1 R45ca ισχύς kw 10 R13 8 R45fa 6 R141b 4 R1 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.11, Παραγόμενη καθαρή ισχύς συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας Στην εικόνα 4.1, παρουσιάζεται ο εξεργεακός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας με το R45fa να παρουσιάζει τον μεγαλύτερο και το HFC365mfc τον μικρότερο. Ακόμα, στην ίδια εικόνα φαίνεται και ο θερμικός βαθμός απόδοσης του υπερκρίσιμου ORC. Στις εικόνες 4.13 και 4.14 παρουσιάζεται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή και 63

70 ο ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης του υπερκρίσιμου κύκλου. Το ρευστό R141b παρουσιάζει τον μεγαλύτερο εξεργειακό βαθμό στον υπερκρίσιμο εξατμιστή ενώ το R1 τον ολικό εξεργειακό βαθμό απόδοσης. Από την εικόνα 4.15 παρατηρείται η μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου που επιτυγχάνεται με την χρήση υπερκρίσιμου ORC. εξεργειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.1, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης κυκλικής διαδικασίας και θερμικός βαθμός απόδοσης υπερκρίσιμου ORC 0,6 R45ca 0,55 R13 R45fa 0,5 R141b R1 0,45 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.13, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης υπερκρίσιμου εξατμιστή

71 εξεργειακός βαθμός απόδοσης % 0,45 R45ca 0,4 R13 R45fa 0,35 R141b R1 0,3 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.14, Ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης υπερκρίσιμου ORC 0,05 bsfc kgr/kwh 0, R45ca R13 0,195 R45fa 0,19 R141b 0,185 R1 0,18 HFC365mfc 0,175 χωρίς ORC 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.15, Ειδική κατανάλωση καυσίμου υπερκρίσιμου ORC 4.3 ORC με αναγέννηση Σε αυτήν την περίπτωση αξιοποιείται το ποσό θερμότητας του μέσου από την έξοδο του εκτονωτή μέχρι και την είσοδο στο συμπυκνωτή για να προθερμάνει το μέσο πριν εισέλθει στον εξατμιστή. Το μέσο από την πλευρά της χαμηλής πίεσης βρίσκεται σε αέρια κατάσταση ενώ από την πλευρά της υψηλής σε υγρή. Το κύκλωμα ORC με αναγέννηση φαίνεται στην εικόνα Στους πίνακες 4.9, 4.10, 4.11 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για κάθε εργαζόμενο μέσο. Οι κύκλοι λειτουργίας με την κατάσταση σε κάθε σημείο του μέσου παρουσιάζονται στο Παράρτημα Ι. 65

72 καυσαέρια 10C καυσαέρια εξατμιστής 4 5 αντλία αναγεννητής εκτονωτής συμπυκνω τής 7 8 Εικόνα 4.16, ORC με αναγέννηση Πίνακας 4.9, Αποτελέσματα ORC με αναγέννηση στις 1500rpm και στο 50% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 50 θερμοκρασία καυσαερίων C 470 ισχύς κινητήρα kw 55 μηχανικός βαθμός απόδοσης 36,50% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 437,10 514,14 450, , ,441 ισχύς εκτονωτή kw 5,090 5,3 4,955 5,454 5,749 ισχύς αντλία kw 0,191 0,13 0,00 0,19 0,157 net power kw 4,899 5,010 4,755 5,6 5,59 ισχύς συμπυκνωτής kw 4,101 3,990 4,45 3,738 3,408 bsfc χωρίς ORC 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 bsfc 0,184 0,183 0,184 0,183 0,18 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,674 0,655 0,751 0,636 0,807 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,169 0,173 0,164 0,181 0,193 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,513 0,540 0,447 0,583 0,489 συνολικός εξεργειακός βα 0,346 0,353 0,336 0,371 0,395 ολικός βαθμός απόδοσης 0,398 0,398 0,397 0,400 0,40 66 HFC365mfc 464,664 5,170 0, 4,940 4,060 0,00 0,184 0,589 0,170 0,591 0,349 0,398

73 Πίνακας 4.10, Αποτελέσματα ORC με αναγέννηση στις 1500rpm και στο 75% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 75 θερμοκρασία καυσαερίων C 465 ισχύς κινητήρα kw 83 μηχανικός βαθμός απόδοσης 38% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 708, ,38 7,91 69,66 595,509 ισχύς εκτονωτή kw 8,49 8,465 8,0 8,839 9,317 ισχύς αντλία kw 0,9 0,346 0,34 0,31 0,54 net power kw 7,940 8,119 7,707 8,57 9,06 ισχύς συμπυκνωτής kw 39,060 38,881 39,93 38,473 37,938 bsfc χωρίς ORC 0,193 0,193 0,193 0,193 0,193 bsfc 0,176 0,176 0,176 0,175 0,174 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,674 0,655 0,751 0,636 0,807 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,169 0,173 0,164 0,181 0,193 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,514 0,541 0,447 0,584 0,490 συνολικός εξεργειακός βα 0,346 0,354 0,336 0,37 0,395 ολικός βαθμός απόδοσης 0,416 0,417 0,415 0,419 0,41 Πίνακας 4.11, Αποτελέσματα ORC με αναγέννηση στις 1500rpm και στο 100% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500 φορτίο % 100 θερμοκρασία καυσαερίων C 450 ισχύς κινητήρα kw 110 μηχανικός βαθμός απόδοσης 39% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 964, , ,97 857, ,905 ισχύς εκτονωτή kw 11, ,935 1,036 1,687 ισχύς αντλία kw 0,40 0,471 0,441 0,44 0,346 net power kw 10,81 11,056 10,494 11,61 1,340 ισχύς συμπυκνωτής kw 53,188 5,944 53,506 5,388 51,660 bsfc χωρίς ORC 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 bsfc 0,174 0,173 0,174 0,173 0,17 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,674 0,655 0,751 0,636 0,807 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,169 0,173 0,164 0,181 0,193 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,54 0,551 0,456 0,595 0,499 συνολικός εξεργειακός βα 0,353 0,361 0,34 0,379 0,403 ολικός βαθμός απόδοσης 0,48 0,49 0,47 0,431 0,434 HFC365mfc 753,076 8,378 0,37 8,006 38,994 0,193 0,176 0,589 0,170 0,593 0,349 0,417 HFC365mfc 105,466 11,409 0,507 10,90 53,098 0,191 0,174 0,589 0,170 0,603 0,356 0,49 Από την εικόνα 4.17 φαίνεται ότι, και σε αυτήν την περίπτωση, η παροχή μάζας αυξάνεται συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας, με το R13 να δίνει την μεγαλύτερη παροχή μάζας. Στην εικόνα 4.18 παρουσιάζεται η καθαρή ισχύς όπου σε όλα τα μέσα είναι μεταξύ 10 και 1kW και μόνο το R1 ξεπερνά τα 1kW στο πλήρες φορτίο. Ενώ στην εικόνα

74 φαίνεται η μεταβολή της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου με την ύπαρξη ενός συστήματος ORC. παροχή μάζας kgr/h R45ca R R45fa 600 R141b 400 R1 00 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.17, Παροχή μάζας εργαζόμενου μέσου συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας 14 net power kw 1 R45ca 10 R13 8 R45fa 6 R141b R1 4 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.18, Καθαρή ισχύς συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας 0,05 bsfc kgr/kwh 0, R45ca R13 0,195 R45fa 0,19 R141b 0,185 R1 0,18 HFC365mfc 0,175 χωρίς ORC 0, φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.19, Ειδική κατανάλωση καυσίμου συναρτήσει του φορτίου για τις περιπτώσεις τοποθέτησης ή όχι ORC 68

75 Στην εικόνα 4.0 φαίνεται ο εξεργειακος και θερμικός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας, με το R1 να εμφανίζει τον υψηλότερο εξεργειακό βαθμός περίπου 80% και τον υψηλότερο θερμικό βαθμό ο οποίος πλησιάζει το 0%. Από την εικόνα 4.1 φαίνεται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή, που είναι περίπου σταθερός συναρτήσει του φορτίου, το HFC-365mfc φαίνεται ότι αξιοποιεί καλύτερα την ενέργεια των καυσαερίων έχοντας τον μεγαλύτερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης. Ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης φαίνεται στην εικόνα 4. όπου το R1 εμφανίζει τον υψηλότερο. εξεργειακός βαθμός απόδοσης % Εικόνα 4.0, Εξεργειακός και θερμικός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας σε ORC με αναγέννηση. 0,65 0,6 R45ca R13 0,55 R45fa R141b 0,5 R1 HFC365mfc 0,45 0, φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.1, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή σε ORC με αναγέννησης 69

76 εξεργειακός βαθμός απόδοσης % 0,45 R45ca R13 0,4 R45fa R141b 0,35 R1 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4., Ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης σε ORC με αναγέννηση 4.4 ORC με την αξιοποίηση δυο πηγών θερμότητας. Σε αυτήν την περίπτωση, εκτός από την θερμότητα των καυσαερίων, αξιοποιείται και η θερμότητα από την ψύξη του κινητήρα. Η εγκατάσταση φαίνεται στην εικόνα 4.3, όπου το νερό εισέρχεται στον εναλλάκτη σε θερμοκρασία 87C και εξέρχεται στους 81C. Το μέσο μετά την αντλία εισέρχεται στον εναλλάκτη και αποχωρεί από τον εναλλάκτη σε θερμοκρασία περίπου 86C. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στους πίνακες 4.1, 4.13, Οι κύκλοι λειτουργίας καθώς και τα σημεία σε κάθε κύκλο παρουσιάζονται στο Παράρτημα Ι. εξατμιστής καυσαέρια 10C 4 εκτονωτής καυσαέρια 5 3 νερό 81C νερό 87C προθερμαντήρας 1 αντλία συμπυκνωτής Εικόνα 4.3, Εγκατάσταση ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας 70

77 Πίνακας 4.1, Αποτελέσματα για ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας στις 1500rpm και στο 50% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500rpm φορτίο % 50 θερμοκρασία καυσαερίων C 470 ισχύς κινητήρα kw 55 μηχανικός βαθμός απόδοσης 36,50% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 519, , , ,39 456,99 465,35 ισχύς εκτονωτή kw 6,044 6,160 6,710 6,096 7,150 5,176 ισχύς αντλία kw 0,6 0,5 0,70 0,15 0,195 0, net power 5,817 5,908 6,440 5,881 6,954 4,946 ισχύς συμπυκνωτής kw 33,183 31,39 36,560 9,19 9,646,454 bsfc χωρίς ORC 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 bsfc 0,181 0,181 0,179 0,181 0,178 0,183 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 0,537 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 0,140 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,363 0,374 0,351 0,383 0,354 0,373 συνολικός εξεργειακός βα 0,35 0,39 0,61 0,38 0,85 0,00 ολικός βαθμός απόδοσης 0,404 0,404 0,408 0,404 0,411 0,398 Πίνακας 4.13, Αποτελέσματα για ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας στις 1500rpm και στο 75% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500rpm φορτίο % 75 θερμοκρασία καυσαερίων C 465 ισχύς κινητήρα kw 83 μηχανικός βαθμός απόδοσης 38% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 84, , ,43 705,175 74,95 751,735 ισχύς εκτονωτή kw 9,809 9,991 10,94 9,899 11,63 8,364 ισχύς αντλία kw 0,367 0,408 0,440 0,349 0,317 0,371 net power 9,44 9,58 10,483 9,550 11,6 7,99 ισχύς συμπυκνωτής kw 53,858 50,918 59,517 47,450 48,194 49,08 bsfc χωρίς ORC 0,193 0,193 0,193 0,193 0,193 0,193 bsfc 0,173 0,173 0,171 0,173 0,170 0,176 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 0,537 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 0,140 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,435 0,448 0,4 0,460 0,43 0,445 συνολικός εξεργειακός βα 0,8 0,86 0,313 0,85 0,341 0,39 ολικός βαθμός απόδοσης 0,43 0,44 0,48 0,44 0,43 0,417 71

78 Πίνακας 4.14 Αποτελέσματα για ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας στις 1500rpm και στο 100% φορτίο στροφές λειτουργίας 1500rpm φορτίο % 100 θερμοκρασία καυσαερίων C 450 ισχύς κινητήρα kw 110 μηχανικός βαθμός απόδοσης 39% οργανικό μέσο R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc παροχή μάζας οργανικού μέσου kgr/h 1144, , ,3 958, , ,094 ισχύς εκτονωτή kw 13,37 13,64 14,85 13,459 15,83 11,405 ισχύς αντλία kw 0,499 0,557 0,598 0,475 0,43 0,506 net power 1,88 13,067 14,7 1,985 15,391 10,898 ισχύς συμπυκνωτής kw 73,17 69,433 80,773 64,515 65,609 67,10 bsfc χωρίς ORC 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 0,191 bsfc 0,171 0,171 0,169 0,171 0,167 0,174 εξεργειακός βαθμός απόδοσης κύκλική διαδικασίας 0,649 0,639 0,74 0,60 0,805 0,537 θερμικός βαθμός απόδοσης 0,149 0,158 0,150 0,168 0,190 0,140 εξεργειακός βα εξατμιστή 0,480 0,496 0,466 0,508 0,467 0,493 συνολικός εξεργειακός βα 0,311 0,317 0,345 0,315 0,376 0,64 ολικός βαθμός απόδοσης 0,435 0,436 0,440 0,436 0,445 0,49 Στην εικόνα 4.4, παρουσιάζεται η μεταβολή της παροχής μάζας του μέσου συναρτήσει του φορτίου λειτουργίας, σε πλήρες φορτίο όλα τα μέσα παρουσιάζουν παροχή μάζας μεγαλύτερη από 100kgr/h πλην του R141b το οποίο είναι λίγο κάτω από τα 1000kgr/h. Από το εικόνα 4.5 παρουσιάζεται η καθαρή ισχύς συναρτήσει του φορτίου όλα τα μέσα παράγουν μεγαλύτερη ισχύ από 10kW. Ακόμα από την εικόνα 4.6 φαίνεται η μείωση της ειδικής κατανάλωσης με την χρήση του ORC όταν χρησιμοποιούνται δύο πηγές θερμότητας. παροχή μάζας kgr/h R45ca 100 R R45fa 800 R141b 600 R1 400 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.4, Μεταβολή παροχή μάζας συναρτήσει του φορτίου σε ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας 7

79 18 net power kw R45ca 1 R R45fa R141b 6 R1 4 HFC365mfc φορτίο λειτουργίας % bsfc kgr/h Εικόνα 4.5, Καθαρή ισχύς συναρτήσει του φορτίου σε ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας 0,1 0,05 0, 0,195 0,19 0,185 0,18 0,175 0,17 0,165 0,16 R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc χωρίς ORC φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.6, Ειδική κατανάλωση καυσίμου συναρτήσει του φορτίου σε ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας Στην εικόνα 4.7 φαίνεται ο εξεργειακός και θερμικός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας. Στις εικόνες 4.8 και 4.9 παρουσιάζονται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή και ο ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης στην περίπτωση αξιοποίησης δύο πηγών θερμότητας.. 73

80 εξεγειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.7, Εξεργειακός και Θερμικός βαθμός απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας σε ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας 0,55 0,5 R45ca R13 0,45 R45fa R141b 0,4 R1 HFC365mfc 0,35 0, φορτίο λειτουργίας % εξεγειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.8, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή των δύο πηγών θερμότητας συναρτήσει του φορτίου 0,4 R45ca 0,35 R13 R45fa 0,3 R141b R1 0,5 HFC365mfc 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.9, Ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης συναρτήσει του φορτίου σε ORC με την αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας 74

81 4.5 Συγκρίσεις κύκλων Στις εικόνες 4. μέχρι 4.35 παρουσιάζεται η επίδραση του κυκλώματος ORC στην ειδική κατανάλωση καυσίμου για κάθε εργαζόμενο μέσο. Με την εφαρμογή κάθε τύπου ORC παρατηρείται μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. Μεγαλύτερη μείωση στην ειδική κατανάλωση επιτυγχάνεται όταν αξιοποιείται, εκτός από τα θερμά καυσαέρια, και το σύστημα ψύξης του κινητήρα ως πηγή θερμότητας. Επίσης, το R1 εμφανίζει την μεγαλύτερη μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου για κάθε τύπο ORC. 0,05 bsfc χωρίς ORC 0, bsfc kgr/kwh 0,195 απλό ORC 0,19 0,185 0,18 ORC με αναγέννηση 0,175 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,17 υπερκρίσιμος ORC 0,165 0,16 40% 60% 80% 100% φ ορτίο λειτουργίας Εικόνα 4., Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο R45ca 0,05 bsfc χωρίς ORC 0, bsfc kgr/kwh 0,195 απλό ORC 0,19 0,185 ORC με αναγέννηση 0,18 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,175 0,17 υπερκρίσιμος ORC 0,165 0,16 40% 60% 80% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.31, Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο R %

82 0,1 bsfc χωρίς ORC bsfc kgr/kwh 0, απλό ORC 0,19 ORC με αναγέννηση 0,18 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,17 0,16 40% υπερκρίσιμος ORC 60% 80% 100% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.3, Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο R45fa 0,1 bsfc χωρίς ORC bsfc kgr/kwh 0, απλό ORC 0,19 ORC με αναγέννηση 0,18 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,17 0,16 40% υπερκρίσιμος ORC 60% 80% 100% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.33, Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο R141b 0,1 bsfc χωρίς ORC bsfc kgr/kwh 0, απλό ORC 0,19 ORC με αναγέννηση 0,18 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,17 0,16 40% υπερκρίσιμος ORC 60% 80% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.34, Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο R %

83 0,1 bsfc χωρίς ORC bscf [kgr/kwh] 0, απλό ORC υπερκρίσιμος ORC 0,19 ORC με αναγέννηση 0,18 0,17 40% ORC με δύο πηγές θερμότητας 50% 60% 70% 80% 90% 100% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.35, Ειδική κατανάλωση καυσίμου για το μέσο HFC365mfc Στην εικόνα 4.36 συγκρίνεται ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης σε υποκρίσιμο και υπερκρίσιμο εξατμιστή, δηλαδή γίνεται σύγκριση της αξιοποίησης της θερμής πηγής. Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα, ο υπερκρίσιμος εξατμιστής παρουσιάζει μεγαλύτερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης για όλα τα μέσα, δηλαδή ο υπερκρίσιμος εξατμιστής αξιοποιεί καλύτερα την θερμή πηγή, τα καυσαέρια του κινητήρα. Εικόνα 4.36, Σύγκριση υποκρίσιμου και υπερκρίσιμου εξατμιστή 77

84 Στις εικόνες 4.37 έως 4.4 φαίνεται πως επηρεάζει το είδος του κυκλώματος τον εξεργειακό βαθμό απόδοσης του εξατμιστή για κάθε εργαζόμενο μέσο. Παρατηρείται ότι για τον απλό και υπερκρίσιμο ORC αλλά και για το κύκλωμα με αναγέννηση, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή είναι σχεδόν σταθερός. Για όλα τα μέσα, πλην του μέσου R1 όπως φαίνεται στην εικόνα 4.41, στο κύκλωμα με αναγέννηση συναντάτε ο μεγαλύτερος εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή. Το R1 είναι «wet» ρευστό, με αποτέλεσμα τα περιθώρια αναγέννησης που υπάρχουν είναι πολύ περιορισμένα, η αναγέννηση που πραγματοποιείται είναι πολύ μικρή. Έτσι ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή είναι οριακά πιο υψηλός σε σύγκριση με αυτόν του απλού ORC. Στην περίπτωση αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή εκφράζει το ποσό της εξέργειας που μπορεί να παραλάβει το μέσο από τις δύο πηγές. Η εξέργεια του ψυκτικού υγρού του κινητήρα είναι χαμηλής «ποιότητας» σε αντίθεση με την εξέργεια των καυσαερίων η οποία είναι υψηλής «ποιότητας». Έτσι, καθώς αυξάνεται το φορτίο μειώνεται η συνεισφορά της εξέργειας του ψυκτικού, η οποία οδηγεί στην αύξηση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης του εξατμιστή. Επίσης, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή, στην περίπτωση αξιοποίησης δύο πηγών θερμότητας, είναι μικρότερος σε σύγκριση με τα άλλα κυκλώματα γι όλα τα μέσα πλην του R45fa. Για το μέσο R45fa, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης του εξατμιστή στη περίπτωση αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας και πλήρες φορτίο του κινητήρα, γίνεται μεγαλύτερος από τις άλλες περιπτώσεις, εικόνα Αυτό συμβαίνει λόγω του χαμηλού εξεργειακού βαθμού απόδοσης που έχει, μικρότερο από όλα τα μέσα. εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,55 0,5 απλός ORC υπερκρίσιμος ORC 0,45 ORC με αναγέννηση ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,4 0,35 50% 60% 70% 80% 90% 100% φορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.37, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο R45ca 78

85 εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,6 0,55 απλός ORC 0,5 υπερκρίσιμος ORC ORC με αναγέννηση 0,45 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,4 0, φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.38, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο R13 εξεργειακός βαθμός απόοδησς 0,5 απ λός ORC υπ ερκρίσιμος ORC 0,4 ORC με αναγέννηση ORC με δύο πηγές θερμότητας 0, φ ορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.39, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο R45fa εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,65 0,6 0,55 απλός ORC υπερκρίσιμος ORC 0,5 ORC με αναγέννηση ORC με δύο π ηγές θερμότητας 0,45 0,4 0,35 50% 60% 70% 80% 90% 100% φ ορτίο λ ειτουργ ίας Εικόνα 4.40, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο R141b 79

86 εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,6 απ λός ORC 0,55 υπ ερκρίσιμος ORC 0,5 ORC με αναγέννηση 0,45 ORC με δύο π ηγές θερμότητας 0,4 0, φ ορτίο λειτουργίας Εικόνα 4.41, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο R1 εξεργειακός βαθμός απόοδησς 0,7 απ λός ORC 0,6 υπ ερκρίσιμος ORC 0,5 ORC με αναγέννηση ORC με δύο π ηγές θερμότητας 0,4 0, φ ορτίο λειτουργ ίας % Εικόνα 4.4, Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εξατμιστή για το μέσο HFC365mfc Ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης προκύπτει από το γινόμενο του εξεργειακού βαθμού απόδοσης της κυκλικής διαδικασίας επί του εξεργειακού βαθμού απόδοσης του εξατμιστή. Όπως φαίνεται στις εικόνες 4.43 έως 4.48 ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης ακολουθεί στην συμπεριφορά του εξεργειακού βαθμού απόδοσης. Για το R1 παρατηρείται ότι ο συνολικός εξεργειακό βαθμός απόδοσης του υποκρίσιμου ORC είναι μεγαλύτερος από ότι του υπερκρίσιμου, αυτό συμβαίνει λόγω της υπερθέρμανσης που απαιτείται στο R1. 80

87 εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,36 0,34 απλός ORC 0,3 0,3 υπερκρίσιμος ORC 0,8 ORC με αναγέννηση 0,6 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,4 0, 0, 50% 75% 100% εξεργειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.43, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο R45ca 0,38 0,36 απλός ORC 0,34 0,3 υπερκρίσιμος ORC 0,3 ORC με αναγέννηση 0,8 0,6 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,4 0, 0, 50% 75% 100% εξεργειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.44, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο R13 0,36 0,34 απ λός ORC 0,3 υπ ερκρίσιμος ORC 0,3 ORC με αναγέννηση 0,8 0,6 ORC με δύο π ηγές θερμότητας 0,4 50% 75% 100% Εικόνα 4.45, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο R45fa 81

88 εξεργειακός βαθμός απόδοσης 0,4 απλός ORC υπερκρίσιμος ORC 0,3 ORC με αναγέννηση ORC με δύο πηγές θερμότητας 0, 50% 75% 100% εξεργειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.46, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο R141b 0,43 0,41 απλός ORC 0,39 0,37 υπερκρίσιμος ORC 0,35 ORC με αναγέννηση 0,33 0,31 ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,9 0,7 0,5 50% 75% 100% εξεργειακός βαθμός απόδοσης Εικόνα 4.47, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο R1 0,37 απλός ORC 0,3 υπερκρίσιμος ORC 0,7 ORC με αναγέννηση 0, ORC με δύο πηγές θερμότητας 0,17 50% 75% 100% φορτίο λειτουργίας % Εικόνα 4.48, Συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης για το μέσο HFC364mfc 8

89 4.6 Οικονομική προσέγγιση εγκατάστασης ORC Σε σταθερό κινητήρα Έστω ότι ο κινητήρας εργάζεται 5000h/έτος και ότι σε όλη την διάρκεια λειτουργίας του το κύκλωμα ORC ανακτά τα αποβαλλόμενα ποσά θερμότητας και τα μετατρέπει σε ωφέλιμη ισχύ. Ο εκτονωτής, του κυκλώματος ORC, είναι συνδεδεμένος με μια γεννήτρια, για να μετατρέψει την παραγόμενη ισχύ σε ηλεκτρική ισχύ. Η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο και το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα πωλείται έναντι 0,099 /kwh. Το κόστος εγκατάστασης ενός μικρού κυκλώματος ORC κυμαίνεται από 1000~00 /kw. Θεωρείται ότι το κόστος εγκατάστασης του κυκλώματος είναι 100 /kw για όλες τις περιπτώσεις. Επίσης, στο επενδυτικό πλάνο τίθεται ένα προεξοφλητικό επιτόκιο 5%. Έτσι, στους πίνακες 4.15 μέχρι 4.18 για κάθε ένα από τα κυκλώματα ORC γίνεται υπολογισμός της ΚΠΑ. Πίνακας4.15, ΚΠΑ για την περίπτωση του απλού ORC R45ca R13 R45fa R141b R1 HFC365mfc , , , , , , , , , ,7-3.17, , ,66.17,16.053,86.97,7.605, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,84.517, , , , , , , ,78.994, ,34.844, , , , , , , , , , ,8 Πίνακας4.16, ΚΠΑ για την περίπτωση του υπερκρίσιμου ORC R45ca R13 R45fa R141b , , ,73-8.3, , , , , ,98.47,57.133,74.418, , 6.87, , , , , , , , , ,19.06, , , , , , , , ,48.99, , , , , ,18 83 R1-8.6, ,88.538,3 8.1, , , ,70.458, , ,05 HFC365mfc -6.64, , , , , , , , , ,47

90 Πίνακας4.17, ΚΠΑ για την περίπτωση ORC με αναγέννηση R45ca R13 R45fa , , , , , , ,79.369,.48, , , , , , , , , , ,5 3.18,31.038, ,46 8.4, , , , , , , ,19 R141b , ,84.488,0 7.96, , , , , , ,5 R , ,3.644, , , , , , , ,43 Πίνακας4.18, ΚΠΑ για την περίπτωση ORC με αξιοποίηση δύο πηγών θερμότητας R45ca R13 R45fa R141b R , , , , , , , , , , ,85.800, ,70.78, , , , , , , , , , , , ,8 1.80, , , , , , ,6 7.67,5 3.31, , , , , , , , , , , , , , ,68 HFC365mfc , ,47.336, , , ,3.895, , , ,11 HFC365mfc ,9 -.80,45.335, , , ,88.886, , , ,1 Όπως φαίνεται από τους παραπάνω πίνακες, η απόσβεση της επένδυσης γίνεται στον τρίτο χρόνο για όλα τα κυκλώματα και τα εξεταζόμενα οργανικά μέσα Σε κινητήρα οχήματος Έστω ότι το όχημα θα διανύσει χλμ/έτος, με μέση ταχύτητα 70km/h και με μέση κατανάλωση καυσίμου 16kgr/h. Με την τοποθέτηση ενός κυκλώματος ORC, όπως φάνηκε και παραπάνω, μπορεί να επιτευχθεί μέση παραγόμενη ισχύς από 7,5 μέχρι 9,5kW ανάλογα με το κύκλωμα που χρησιμοποιείται. Η μικρότερη παραγόμενη ισχύ συναντάται στον απλό ORC ενώ η μεγαλύτερη στον ORC ο οποίος αξιοποιεί δύο πηγές θερμότητας. Με βάση τα παραπάνω, η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται στα 14, kgr/h στην περίπτωση όπου αξιοποιείται και η θερμότητα του υγρού ψύξης του κινητήρα. Στην περίπτωση εφαρμογής με 84

91 αναγέννηση, η ειδική κατανάλωση γίνεται περίπου 14,5kgr/h ενώ ελάχιστα μεγαλύτερη, στα 14,6kgr/h, παρουσιάζεται στις περιπτώσεις του υπερκρίσιμου και υποκρίσιμου ORC. Δηλαδή παρατηρείται μείωση της μέσης κατανάλωσης καυσίμου από 8,5% μέχρι 10,5%. Πρέπει να τονιστεί ότι η τοποθέτηση ενός κυκλώματος ORC σε κινητήρα οχήματος είναι πολύ πιο σύνθετη διαδικασία σε σχέση με αυτήν της τοποθέτησης σε στατικό κινητήρα. Στην περίπτωση του ORC που αξιοποιεί δύο πηγές θερμότητας καταρχήν χρειάζεται η τοποθέτηση και δεύτερου εναλλάκτη θερμότητας ο οποίος θα ανακτά τα ποσά θερμότητας του υγρού ψύξης του κινητήρα. Επίσης, θα πρέπει και ο συμπυκνωτής να είναι μεγαλύτερος, για να αποβάλει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας. Δηλαδή, στον ήδη περιορισμένο χώρο επιβάλλεται να τοποθετηθεί ακόμα ένας εναλλάκτης και ένας μεγαλύτερος συμπυκνωτής. Από τα παραπάνω προτείνεται ως μία καλή λύση σε αυτές τις εφαρμογές ο απλός ORC. 85

92 5. Ανάλυση αποτελεσμάτων και συμπεράσματα Συγκρίνοντας τον υποκρίσιμο και τον υπερκρίσιμο εξατμιστή, όπως φαίνεται και από την εικόνα 4.36, συμπεραίνεται ότι τον μεγαλύτερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης και στις δύο περιπτώσεις παρουσιάζει το R141b. Δηλαδή, και στις δύο περιπτώσεις το R141b αξιοποιεί καλύτερα τα θερμά καυσαέρια σε σχέση με τα υπόλοιπα μέσα, ενώ τον μικρότερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης του εξατμιστή τον παρουσιάζει το R45fa και για τις δύο περιπτώσεις. Η κατάταξη των μέσων όσον αφορά την εκμετάλλευση της θερμής πηγής δεν μεταβάλλεται είτε το μέσο εργάζεται σε υποκρίσιμο είτε υπερκρίσιμο εξατμιστή. Επίσης, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης για όλα τα μέσα είναι μεγαλύτερος στην περίπτωση του υπερκρίσιμου εξατμιστή, δηλαδή ο υπερκρίσιμος εξατμιστής αξιοποιεί καλύτερα την θερμή πηγή. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο ORC με αναγέννηση εμφανίζει τον υψηλότερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης του εξατμιστή σε όλα τα εξεταζόμενα μέσα, εκτός της περίπτωσης του R45fa στο πλήρες φορτίο του κινητήρα και αξιοποίησης δύο πηγών θερμότητας, εικόνες 4.37~4.4. Αυτό συμβαίνει λόγω του χαμηλού εξεργειακού βαθμού απόδοσης του εξατμιστή που εμφανίζει το R45fa. Για το R1 παρατηρείται ότι ο εξεργειακός βαθμός του εξατμιστή στην περίπτωση με αναγέννηση είναι λίγο μεγαλύτερος σε σχέση με αυτόν του απλού ORC και μικρότερος σε σχέση με τον υπερκρίσιμο. Αυτό εξηγείται από τον τύπο του R1, του οποίου τα περιθώρια αναγέννησης είναι πολύ μικρά λόγω ότι είναι «wet» ρευστό. Επίσης, στην περίπτωση αξιοποίησης δύο πηγών θερμότητας, το ποσοστό της εξέργειας που παραλαμβάνει το μέσο από τις δύο πηγές είναι μικρότερο σε σχέση με τις υπόλοιπες περιπτώσεις και αυξάνεται με την αύξηση του φορτίου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός της χαμηλής «ποιότητας» του ψυκτικού υγρού του κινητήρα καθώς και ότι η συνεισφορά της εξέργειας των καυσαερίων, στον εξεργειακό βαθμό απόδοσης του εξατμιστή, μεταβάλλεται συναρτήσει του φορτίου. Ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης γενικά ακολουθεί την συμπεριφορά του εξεργειακού βαθμού απόδοσης του εξατμιστή. Ο ORC με αναγέννηση εμφανίζει τον υψηλότερο εξεργειακό βαθμό απόδοσης. Για το R1, το οποίο είναι «wet» ρευστό, παρατηρείται ότι ο συνολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι υψηλότερος στον απλό ORC σε σύγκριση με τον υπερκρίσιμο. Αυτό συμβαίνει λόγω της υπερθέρμανσης, η οποία είναι απαραίτητη στον απλό ORC, και η οποία οδηγεί σε αύξηση του έργου. Ο ORC με αναγέννηση παρουσιάζει τον μεγαλύτερο ολικό εξεργειακό βαθμό απόδοσης σε σχέση με τον 86

93 υποκρίσιμο και υπερκρίσιμο ORC, εικόνες 4.43~4.48. Καθώς αυξάνεται το φορτίο του κινητήρα, αυξάνεται και το διαθέσιμο ποσό θερμότητας προς ανάκτηση από τα καυσαέρια, με αποτέλεσμα να αυξάνεται και η παροχή μάζας του εργαζόμενου μέσου σε όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις, εικόνες 4.3, 4.10, 4.17 και 4.4. Η παροχή μάζας του υπερκρίσιμου κύκλου σε σχέση με τον υποκρίσιμο είναι λίγο μικρότερη. Με την προσθήκη ενός αναγεννητή και λόγω της προθέρμανσης του μέσου αυξάνεται ακόμα περισσότερο η παροχή μάζας του μέσου. Στην περίπτωση που αξιοποιείται και το υγρό ψύξης του κινητήρα, αυξάνεται ακόμα περισσότερο το ποσό θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί με αποτέλεσμα να αυξάνεται ακόμα περισσότερο η παροχή μάζας του μέσου. Μόνο για το μέσο HFC365mfc, η παροχή μάζας στις περιπτώσεις αναγέννησης και αξιοποίησης της θερμότητας του ψυκτικού υγρού του κινητήρα είναι περίπου ίδια, διότι στην έξοδο του εκτονωτή η θερμοκρασία του είναι αρκετά υψηλή, με αποτέλεσμα η θερμότητα από τον αναγεννητή και αυτήν που ανακτά από την δεύτερη πηγή να είναι περίπου ίδια. Το R13 παρουσιάζει τη μεγαλύτερη παροχή μάζας σε όλες τις περιπτώσεις, ενώ στην περίπτωση αξιοποίησης δύο πηγών το R13 και το R45fa παρουσιάζουν σχεδόν ίδια παροχή μάζας. Ο θερμικός βαθμός απόδοσης του ORC για κάθε μέσο είναι σταθερός, όπως φαίνεται από τις εικόνες 4.5, 4.1, 4.0, 4.7, και ανεξάρτητος από την μεταβολή του φορτίου, δηλαδή τη μεταβολή της θερμοκρασίας των καυσαερίων, διότι μεταβάλλεται ταυτόχρονα η παραγόμενη ισχύς και η προσδιδόμενη θερμότητα. Από το μέσο R1 παράγεται η μεγαλύτερη ισχύς και στην περίπτωση της αξιοποίησης των δύο πηγών θερμότητας η παραγόμενη καθαρή ισχύς στο πλήρες φορτίο είναι 15kW. Το R1 είναι «wet» ρευστό, με αποτέλεσμα να είναι υποχρεωτική η υπερθέρμανση του και γι αυτόν τον λόγο παράγει περισσότερη καθαρή ισχύ. Από τα υπόλοιπα μέσα, το R141b παράγει το μεγαλύτερο ποσό καθαρής ισχύος εκτός της τέταρτης περίπτωσης, του κυκλώματος εκμετάλλευσης δύο πηγών θερμότητας. Πάντως, σε όλα τα μέσα η καθαρή ισχύς αυξάνεται με το φορτίο λειτουργίας του κινητήρα και μπορούμε να πούμε ότι δεν υπάρχουν μεγάλες διαφοροποιήσεις στην παραγόμενη καθαρή ισχύ, εικόνες 4.4, 4.11, 4.18, 4.5. Με την προσθήκη ενός κυκλώματος ORC παρατηρείται μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου, όπως φαίνεται και από τις εικόνες 4.9, 4.15, 4.19, 4.6. Δηλαδή, με την ίδια κατανάλωση καυσίμου πετυχαίνεται αύξηση της παραγόμενης ισχύος. Η μεγαλύτερη μείωση της ειδικής κατανάλωσης παρατηρείται στην περίπτωση αξιοποίησης των δύο πηγών θερμότητας, η οποία είναι λίγο μεγαλύτερη από το 1%. Επίσης σε όλες τις περιπτώσεις το R1 είναι το μέσο που πετυχαίνει την μεγαλύτερη μείωση, εικόνες 4.~4.35. Με την 87

94 τοποθέτηση οποιουδήποτε κυκλώματος ORC επιτυγχάνεται αύξηση του βαθμού απόδοσης κινητήρα-orc, η οποία μπορεί να φτάσει και το 5,5%. Ακόμα, στην εγκατάσταση με αναγέννηση μειώνεται το ποσό θερμότητας που πρέπει να απομακρυνθεί από τον συμπυκνωτή, διότι ένα μέρος από αυτό αξιοποιείται για την προθέρμανση του μέσου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να απαιτείται μικρότερος συμπυκνωτής. Αυτή η μείωση είναι ακόμα πιο εμφανής αν η εγκατάσταση με αναγέννηση συγκριθεί με κύκλωμα το οποίο ανακτά θερμότητα από δύο πηγές. Σε αυτήν την περίπτωση η μείωση των ποσών θερμότητας που πρέπει να απομακρυνθούν είναι από 18% μέχρι 33% ανάλογα με το μέσο που χρησιμοποιείται. Το R141b παρουσιάζει την μικρότερη μείωση και ακολουθούν το HFC365mfc, το R1, το R13, R45ca ενώ τη μεγαλύτερη μείωση την παρουσιάζει το R45fa. Για τις περιπτώσεις του απλού και υπερκρίσιμου ORC η θερμότητα συμπύκνωσης είναι λίγο μεγαλύτερη σε σχέση με αυτήν του ORC με αναγέννηση. Αυτή η παράμετρος θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη στην περίπτωση εγκατάστασης του ORC σε κινητήρα οχήματος, διότι αυξάνοντας τις ανάγκες συμπύκνωσης αυξάνεται το μέγεθος του συμπυκνωτή και επηρεάζεται το θερμοκρασιακό περιβάλλον του κινητήρα. Αντίθετα, στην περίπτωση σταθερού κινητήρα οι μεταβολές των αναγκών συμπύκνωσης δεν αποτελούν ιδιαίτερο πρόβλημα διότι μπορούν να αντιμετωπιστούν χωρίς να επηρεαστεί η λειτουργίας του κινητήρα (π.χ. να τεθεί σε λειτουργία ένας επιπλέον ανεμιστήρας του συμπυκνωτή). Η καταλυτική παράμετρος στον ORC είναι η επιλογή του οργανικού μέσου. Όπως φαίνεται το R1 αποτελεί μια καλή επιλογή από θερμοδυναμικής άποψης, όμως βάση του πίνακα 4. έχει τον υψηλότερο ODP και τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στην ατμόσφαιρα. Επίσης, παρουσιάζει υψηλή τοξικότητα. Μια καλή επιλογή φαίνεται να είναι το R141b, το οποίο, βέβαια, παρουσιάζει μικρή αναφλεξιμότητα. Έχει το μικρότερο GWP και σχεδόν μηδενικό ODP και η διάρκεια ζωής του στην ατμόσφαιρα είναι 1,3 χρόνια. Από την οικονομική προσέγγιση διαπιστώνεται ότι στην περίπτωση σταθερού κινητήρα η απόσβεση της επένδυσης, σε όλες τις περιπτώσεις, γίνεται τον τρίτο χρόνο. Έτσι, με βάση αυτά τα δεδομένα η επένδυση είναι οικονομικά βιώσιμη και το γεγονός ότι υπάρχει μια σταθερή εγκατάσταση επιτρέπει να γίνει εκμετάλλευση όλων των διαθέσιμων ποσών θερμότητας προς ανάκτηση από τον κινητήρα. Στην περίπτωση εφαρμογής του κυκλώματος ORC σε κινητήρα οχήματος μπορεί να επιτευχθεί μείωση της κατανάλωσης καυσίμου από 8,5% μέχρι 10,5%. Όμως, λόγω των πολλών δυσκολιών και παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη τοποθέτηση του κυκλώματος ORC σε όχημα, η επιλογή του απλού ORC ενδεχομένως να είναι η καλύτερη έναντι άλλων επιλογών. Ακόμα, στον απλό ORC μπορεί να επιτευχθεί μια μικρή αναγέννηση 88

95 αν έλθει σε επαφή το τμήμα του σωλήνα από τον εκτονωτή μέχρι τον συμπυκνωτή, με το σωλήνα του κυκλώματος από την αντλία μέχρι τον εξατμιστή, βελτιώνοντας την απόδοση του. Συνοψίζοντας, η τοποθέτηση ενός κυκλώματος ORC επιδρά θετικά όσον αφορά τον βαθμό απόδοσης, την ειδική κατανάλωση καυσίμου και την καθαρή παραγόμενη ισχύ. Όμως, η επιλογή του μέσου και του είδους του κυκλώματος είναι μια διαδικασία η οποία θα πρέπει να συνεξετάσει αρκετές παραμέτρους για την τελική βέλτιστη λύση. Τέλος, καλό θα ήταν να συγκριθεί ο ORC και με άλλες τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης του κινητήρα, ή, ακόμα, να μελετηθεί συνδυασμός διαφόρων τεχνικών βελτίωσης της απόδοσης του κινητήρα. 89

96 Βιβλιογραφία [1] D. C. Bandean, S. Smolen, J. T. Cieslinski, «Working Fluid selection for Organic Rankine Cycle applied to heat recovery systems», World Renewable Energy Congress, Sweden, 011 [] G. David, F. Michel, L. Sanchez, «Waste heat recovery project using Organic Rankine Cycle technology- Examples of biogas engine and steel mills applications», World Engineers' Convention, Geneva, 011 [3] Alexandre Duparchy, Pierre Leduc, Guillaume Bourhis, Cyprien Ternel, «Heat Recovery for next Generation of Hybrid Vehicles: Simulation and Desing of a Rankine Cycle System», World Electric Vehicle Journal Vol3, Norway, 009 [4] N. Espinosa, L. Tilman, V. Lemort, S. Quoilin, B. Lombard, «Rankine Cycle for wast heat recovery on commercial trucks: approach, constraints and modelling», Technical Paper, 010 [5] Yualia Glavatskaya, Gerard Olivier, Osoko Fredy Shonda, Pierre PoDevin,«Heat Recovery Systems for Passengers Vehicles», Scientific Bulletin, University of Pitesti, XVII No1 () [6] Pawel Grabinski, «Optimization of the performance of an organic Rankine cycle used as waste heat recovery system in a bio-liquid diesel engine power plant», Master's thesis, University of Iceland & University of Akureyri, Akureyri, 011 [7] John B. Heywood, «Internal Combustion Engine Fundamentals», McGraw-Hill Inc., USA, 1988 [8] S. N. Hossain, S Bari, «Effect of different working fluids on shell and tude heat exchanger to recover heat from exhaust of an automotive diesel engine», World Renewable Energy Congress, Sweden, 011 [9] Huijuan Chen, D. Yogi Goswami, Elias K. Stefanakos, «A review of thermodynamic cycle and working fluids for the converion of low-grade heat», Renewable and Sustainable Energy Review, Elsaiver ltd, 010 [10] Feng Liming, Gao Wenzhi, Qin Hao, Xie Bixian, «Heat Recovery From Internal Combustion Engine with Rankine Cycle», Technical Paper, Tianjin University, China, 010 [11] Mago J. Pedro, Srinivasan K. Kaylan, «Exhaust Waste Heat Recovery From Stationary 90

97 Engines Using Organic Rankine Cycle», Technical Paper, Mississippi State University, 010 [1] Nester Τ. Rayan, «Organic Rankine Cycle: A Comparative Study and Analysis of Multiple Applications», Master's thesis, North Carolina, State University, North Carolina,011 [13] C. B. Oland, «Guide to Combined Heat and Power Systems For Boiler Owners and Operators», UT-BATTELLE, LLC, Tennessee, 004 [14] Sylvain Quoilin, «An introduction to thermodynamics applied to Organic Rankine Cycle», University of Liege, 008 [15] Sylvain Quoilin and Vincent Lemort, «Technological and Economical Survey of Organic Rankine Cycle Systems», 5th European Conference Economics and Management of Energy in Industry, Thermodynamic Laboratory University οf Liege, Portogal, 009 [16] A. Rettig, M. Lagler, T. Lamare, S. Li, V. Mahadea, S. McCallion, J. Chernushevich, «Application of ORC», World Engineers' Canvention, Geneva, 011 [17] Bahaa Saleh, Gerald Koglbauer, Martin Wendland, Johann Fischer, «Working fluid for low temperature organic Rankine Cycle», Technical Paper, Elsevier ltd, Austria, 005 [18] Schuster A., Karellas S., Aumann R., «Efficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cycles», Energy The International Journal, doi: /j/applthermaleng [19] Ignace Vankeirsbilck, Bruno Vanslambrouck, Sergei Gusev, Michel De Paepe, «Efficiency comparison between the steam cycle and the organic Rankine cycle for small scale power generator», nd European Conference on Polygeneration, Spain, 011 [0] Yiping Dai, Jiangfeng Wang, Lin Gao, «Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery», Energy Conversion and Management, Elsevier Ltd, 009, [1] Κατσάνος Ορ. Χρήστος, «Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης της Θερμότητας Καυσαερίων σε Κινητήρες Diesel», Διδακτορική Διατριβή, Αθήνα, 011 [] Παπαδόπουλος Αθ., Δαμαρτζής Θεοδ., Δουτετάκης Σπ., «Μελέτη αποτελεσματικής αξιοποίησης γεωθερμικών πεδίων χαμηλής ενθαλπίας για θέρμανση και παραγωγή ενέργειας με χρήση βέλτιστων ρευστών ανταλλαγής θερμότητας και ενεργοπαραγωγικών συσκευών», Μελέτη Εργασιών, 010 [3] Πάττας Ν. Κωνσταντίνος, «Θερμοδυναμική», Γιαχούδη- Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη,

98 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι 1. Απλός ORC Στις εικόνες 1 μέχρι 6 απεικονίζονται τα διαγράμματα T-s των εξεταζόμενων οργανικών μέσων για απλό ORC. Πίνακας 1, Σημεία Κατάστασης για το HFC365mfc κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] ,1965 ' 5,59 73,5679 5,17 7,9751 3' 181,95 494,8636 3'' 181,95 546,901 4' 87,73 493, ,50 506, ,719 s [kj/kgr K] 1,38 1,38 1,363 1,800 1,9163 1,9163 1,957 1,800 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , ,11409 e [kj/kgr] 1,6381 4,0096 3, ,801 75,43 1,8399 4,345 16,6594 απλός ORC για το HFC-365mfc q=0 q=1 150 T [C] απλός ORC P=bar P=bar ,1 1, 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 s [kj/kgr K] Εικόνα1, ORC για το μέσο HFC-365mfc σε διάγραμμα T-s Πίνακας, Σημεία Κατάστασης για το R45fa κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 5,3 3,8761 ' 6,8 35,0017 5,88 34,4703 3' 143,0 416,6193 3'' 143,0 487,994 4' 38,10 435, ,91 448, ,3 43, s [kj/kgr K] 1,1148 1,1148 1,11 1,606 1,7918 1,7918 1,8333 1,7519 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , e [kj/kgr] 6,8106 8,936 8, , ,1170 7,3804 8,140 7,1081

99 απλός ORC για το R45fa q=0 q=1 απλός ORC P=bar P=bar T [C] ,1 1, 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 s [kj/kgr K] Εικόνα, ORC για το μέσο R45fa σε διάγραμμα T-s Πίνακας 3, Σημεία Κατάστασης για το R45ca κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 35,81 47,196 ' 36,71 49,845 36,3 48,7615 3' 158,94 443,5356 3'' 158,94 519,56 4' 57,33 463, ,5 477, ,81 44,663 s [kj/kgr K] 1,160 1,160 1,1603 1,6841 1,8594 1,8594 1,9008 1,7934 u [m^3/kgr] 0, , , , , ,1544 0, ,10186 e [kj/kgr] 0,349,4349,415 41,084 64,579 8, ,33 7,67 απλός ORC για το R45ca q=0 q=1 απλός ORC P=bar P=bar T [C] ,1 1, 1,3 1,4 s [kj/kgr K] Εικόνα 3, ORC για το μέσο R45ca σε διάγραμμα T-s 93 1,6 1,7 1,8 1,9

100 Πίνακας 4, Σημεία Κατάστασης για το R141b κατάσταση T [C] P [bar] 1 43,71 ' 44,77 44,7 3' 188 3'' 188 4' 53, , ,71 h [kj/kgr] 50,3517 5,781 5, , , , ,59 467,346 s [kj/kgr K] 1,1706 1,1706 1,1687 1,654 1,8815 1,8815 1,9315 1,8553 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , ,14551 e [kj/kgr] 0,711 3,0876 3, , ,68 14,473 16, ,634 απλός ORC για το R141b q=0 q=1 150 T [C] απλός ORC P=bar P=bar ,1 1, 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 s [kj/kgr K] Εικόνα 4, ORC για το μέσο R141b σε διάγραμμα T-s Πίνακας 5, Σημεία κατάστασης για το R13 κατάσταση T [C] P [bar] 1 39,11 ' 40, 39,73 3' 171, 3'' 171, 4' 51,9 4 67, ,11 h [kj/kgr] 39, ,664 41, , , , , , s [kj/kgr K] 1,1354 1,1354 1, ,697 1,697 1,793 1,6649 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , e [kj/kgr] 0,3753,3677, ,68 57,509 8,499 9,7631 7,979

101 απλός ORC για το R q=0 q=1 απλός ORC P=bar P=bar T [C] ,1 1, 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 s [kj/kgr K] Εικόνα 5, ORC για το μέσο R13 σε διάγραμμα T-s Πίνακας 6, Σημεία Κατάστασης R1 κατάσταση T [C] P [bar] 1,64, ' 31,70 31,1 3' 143,91 3'' 143, ,91 4',64, 4 40,61, 5,64, h [kj/kgr] 31, , , ,14 493,853 51, , , ,893 s [kj/kgr K] 1,110 1,110 1,1085 1,4743 1,787 1,8478 1,8478 1,8786 1,8575 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , e [kj/kgr] 13, ,889 15, ,677 75, ,911 18,116 18, ,1689 απλός ORC για το R T [C] 10 q=0 q=1 απλός ORC P=,bar P=bar ,1 1, 1,3 1,4 1,6 s [kj/kgr K] Εικόνα 6, ORC για το μέσο R1 σε διάγραμμα T-s 95 1,7 1,8 1,9

102 . Υπερκρίσιμος ORC Στις εικόνες 7 μέχρι 1 παρουσιάζεται ο υπερκρίσιμος ORC σε διάγραμμα T-s για τα εργαζόμενα μέσα. Πίνακας 7, Σημεία κατάστασης για το R45ca Κατάσταση T [C] P [bar] 1 35,81 37,03 40,5 36,50 40, ,4 40,5 4 59, , ,81 h [kj/kgr] 47,196 50,034 49,338 56, , , ,663 s [kj/kgr K] 1,160 1,160 1,1597 1,8667 1,8667 1,9111 1,7934 u [m^3/kgr] 0, , , , , , ,10186 e [kj/kgr] 0,349 3,1846 3, ,385 8,938 10,8181 7, T [C] q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 s [kj/kgr K] Εικόνα 7, υπερκρίσιμος ORC για το μέσο R45ca σε διάγραμμα T-s Πίνακας 8, Σημεία κατάστασης για το R13 κατάσταση T [C] P [bar] 1 39,11 ' 40,51 37,618 39,89 37, ,68 37,618 4' ,0 5 39,11 h [kj/kgr] 39,6716 4, , , , , s [kj/kgr K] 1,1354 1,1354 1,1334 1,6933 1,6933 1,7319 1,6649 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , e [kj/kgr] 0,3753,8987, ,9738 8,5104 9,8767 7,979

103 T [C] q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 s [kj/kgr K] Εικόνα 8, υπερκρίσιμος ORC για το μέσο R13 σε διάγραμμα T-s Πίνακας 9, Σημεία κατάστασης για το R141b κατάσταση T [C] P [bar] 1 43,71 ' 45,5 43,1 44,51 43,1 3 09,35 43,1 4' 49, , ,71 h [kj/kgr] 50, ,8188 5,95 544, , , ,346 s [kj/kgr K] 1,1706 1,1706 1,1678 1,8711 1,8711 1,951 1,8553 u [m^3/kgr] 0, , , , , , ,14551 e [kj/kgr] 0,711 4,1783 4,137 85,96 13, ,883 13, T [C] q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 s [kj/kgr K] Εικόνα 9, Υπερκρίσιμος ORC για το μέσο R141b σε διάγραμμα T-s 97 1,8

104 Πίνακας 10, Σημεία κατάστασης για τοr45fa κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 5,3 3,8761 ' 6,53 37,51 35,560 6,0 37,51 34, ,01 37,51 494,8901 4' 41,33 438, ,1 45, ,3 43,0087 s [kj/kgr K] 1,1148 1,1148 1,116 1,8017 1,8017 1,8456 1,7519 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , e [kj/kgr] 6,8106 9,4947 9, ,147 7,566 8,5748 7, T [C] q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 s [kj/kgr K] Εικόνα10, Υπερκρίσιμος ORC για το μέσο R54fa σε διάγραμμα T-s Πίνακας 11, Σημεία κατάστασης για τοhfc365mfc κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] ,1965 ' 5,7 33,66 73,8715 5,5 33,66 73, ,85 33,66 559,6711 4' 95,76 50, ,1 516, ,719 s [kj/kgr K] 1,38 1,38 1,361 1,941 1,941 1,9793 1, u [m^3/kgr] 0, , , , , , ,11409 e [kj/kgr] 1,6381 4,3131 4,564 80,5913 3,5057 6, ,6594

105 T [C] q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 s [kj/kgr K] Εικόνα11, Υπερκρίσιμος ORC για το μέσο HFC-365mfc σε διάγραμμα T-s Πίνακας 1, Σημεία κατάστασης για τοr1 κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1,64, 31,8864 ' 3,54 5,81 35, ,66 5,81 34, ,33 5,81 516,606 4',64, 443,9 4 34,83, 461,6334 5,64, 458,893 s [kj/kgr K] 1,110 1,110 1,107 1,806 1,806 1,8664 1,8575 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , e [kj/kgr] 13, , ,549 91, , ,395 18, q=0 q=1 υπερκρίσιμος ORC ,8 1 1, 1,4 1,6 Εικόνα1, Υπερκρίσιμος ORC για το μέσοr1 σε διάγραμμα T-s 99 1,8

106 3. ORC με αναγέννηση Στις εικόνες 13 μέχρι 18 φαίνονται οι ORC με αναγέννηση. Πίνακας 13, Σημεία κατάστασης για το HFC365mfc κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] ,1965 ' 5,59 73,5679 5,17 7, ,85 3,8 3' 181,95 494, ,95 546,901 5' 87,73 493, ,50 506, ,17 457,6009 6'' ,719 s [kj/kgr K] 1,38 1,38 1,363 1,3803 1,800 1,9163 1,9163 1,957 1,811 1,800 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , ,11409 e [kj/kgr] 1,6381 4,0096 3, ,01 57,801 75,43 1,8399 4,345 16, , q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 Εικόνα 13, ORC με αναγέννηση για το μέσοhfc365mfc σε διάγραμμα T-s 100,

107 Πίνακας 14, Σημεία κατάστασης για το R45fa κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 5,3 3,8761 ' 6,8 35,0017 5,88 34, ,37 56,4407 3' 143,0 416, ,0 487,994 5' 38,10 435, ,91 448, ,88 46,4065 6'' 5,3 43,0087 s [kj/kgr K] 1,1148 1,1148 1,11 1,1846 1,606 1,7918 1,7918 1,8333 1,763 1,7519 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , , e [kj/kgr] 6,8106 8,936 8,9340 9, , ,1170 7,3804 8,140 7,1335 7, q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, Εικόνα 14, ORC με αναγέννηση για το μέσοr45fa σε διάγραμμα T-s Πίνακας 15, Σημεία κατάστασης για το R45ca κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 35,81 47,196 ' 36,71 49,845 36,3 48, ,33 80,4167 3' 158,94 443, ,94 519,56 5' 57,33 463, ,5 477, ,3 445,6813 6'' 35,81 44,663 s [kj/kgr K] 1,160 1,160 1,1603 1,589 1,6841 1,8594 1,8594 1,9008 1,8043 1, u [m^3/kgr] 0, , , , , , ,1544 0, , ,10186 e [kj/kgr] 0,349,4349,415 4, ,084 64,579 8, ,33 7,404 7,67

108 q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, Εικόνα 15, ORC με αναγέννηση για το μέσοr45ca σε διάγραμμα T-s Πίνακας 16, Σημεία κατάστασης για το R141b κατάσταση T [C] P [bar] h [kj/kgr] 1 43,71 50,3517 ' 44,77 5,781 44,7 5, ,00 74,410 3' , ,157 5' 53,73 475, ,63 49, ,7 470,3137 6'' 43,71 467,346 s [kj/kgr K] 1,1706 1,1706 1,1687 1,369 1,654 1,8815 1,8815 1,9315 1,8647 1,8553 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , ,14551 e [kj/kgr] 0,711 3,0876 3,0508 5, , ,68 14,473 16, , , q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 Εικόνα 16, ORC με αναγέννηση για το μέσο R141b σε διάγραμμα T-s 10,

109 Πίνακας 17, Σημεία κατάστασης για το R13 κατάσταση T [C] P [bar] 1 39,11 ' 40, 39, ,4 3' 171, 4 171, 5' 51,9 5 67,83 6 4,73 6'' 39,11 h [kj/kgr] 39, ,664 41, , , , , , , ,0055 s [kj/kgr K] 1,1354 1,1354 1,1338 1, ,697 1,697 1,793 1,673 1,6649 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , , e [kj/kgr] 0,3753,3677,3436 3, ,68 57,509 8,499 9,7631 8,0619 7, q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, Εικόνα 17, ORC με αναγέννηση για το μέσο R13 σε διάγραμμα T-s Πίνακας 18, Σημεία κατάστασης για το R1 κατάσταση T [C] P [bar] 1,64, ' 31,70 31,1 3 35,17 3' 143,91 4' 143, ,91 5',64, 5 40,61, 6 34,1, 6'',64, h [kj/kgr] 31, , ,434 37, ,14 493,853 51, , , ,86 458, s [kj/kgr K] 1,110 1,110 1,1085 1,1 1,4743 1,787 1,8478 1,8478 1,8786 1,8651 1,8575 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , , , e [kj/kgr] 13, ,889 15, ,99 38,677 75, ,911 18,116 18, ,68 18,1689

110 q=0 q=1 ORC με αναγέννηση P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, Εικόνα 18, ORC με αναγέννηση για το μέσο R1 σε διάγραμμα T-s 4. ORC με την χρήση δυο πηγών θερμότητας Στις εικόνες 19 έως 4 φαίνονται σε διάγραμμα T-s οι ORC με την χρήση δύο πηγών θερμότητας. Πίνακας 19, Κατάσταση R141b κατάσταση 1 ' 3 3' 4 5' 5 6 T [C] 43,71 44,77 44,7 84, ,73 73,63 43,71 P [bar] h [kj/kgr] 50,3517 5,781 5,134 1,65 439, , , ,59 467, s [kj/kgr K] 1,1706 1,1706 1,1687 1,314 1,654 1,8815 1,8815 1,9315 1,8553 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , ,14551 e [kj/kgr] 0,711 3,0876 3,0508 8,805 45, ,68 14,473 16, ,634

111 T[C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα 19, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο R141b σε διάγραμμα T-s Πίνακας 0,Κατάσταση R13 κατάσταση T [C] 1 39,11 ' 40, 39, ,90 3' 171, 4 171, 5' 51,9 5 67, ,11 P [bar] h [kj/kgr] 39, ,664 41, , , , , , ,0055 s [kj/kgr K] 1,1354 1,1354 1,1338 1, ,697 1,697 1,793 1,6649 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , e [kj/kgr] 0,3753,3677,3436 7, ,68 57,509 8,499 9,7631 7, T[C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα 0, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο R13 σε διάγραμμα T-s 105

112 Πίνακας 1,Κατάσταση R45ca κατάσταση T [C] 1 35,81 ' 36,71 36,3 3 85,45 3' 158, ,94 5' 57, ,5 6 35,81 P [bar] h [kj/kgr] 47,196 49,845 48, , , ,56 463, , ,663 s [kj/kgr K] 1,160 1,160 1,1603 1,3676 1,6841 1,8594 1,8594 1,9008 1,7934 u [m^3/kgr] 0, , , , , , ,1544 0, ,10186 e [kj/kgr] 0,349,4349,415 9,835 41,084 64,579 8, ,33 7, T[C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα 1, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο R45ca σε διάγραμμα T-s Πίνακας,Κατάσταση R45fa κατάσταση T [C] 1 5,3 ' 6,8 5, ,49 3' 143, ,0 5' 38, ,91 6 5,3 P [bar] h [kj/kgr] s [kj/kgr K] 3,8761 1, ,0017 1, ,4703 1,11 317,1780 1, ,6193 1, ,994 1, ,198 1, ,3770 1, ,0087 1, u [m^3/kgr] e [kj/kgr] 0, ,8106 0, ,936 0, ,9340 0, ,6144 0, ,8468 0, ,1170 0, ,3804 0, ,140 0, ,1081

113 T[C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο R45fa σε διάγραμμα T-s Πίνακας 3,Κατάσταση HFC365mfc κατάσταση T [C] P [bar] ' 5, , , ' 181, , ' 87, , h [kj/kgr] 71, ,5679 7,9751 3, , , , , ,719 s [kj/kgr K] 1, , , , , , , , , u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , ,11409 e [kj/kgr] 1, , , ,865 57, ,43 1, , , T[C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, s [kj/kgr K] Εικόνα 3, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο HFC365mfc σε διάγραμμα T-s 107

114 Πίνακας 4,Κατάσταση R1 κατάσταση T [C] 1,64 ' 31,70 31,1 3 86,64 3' 143,91 3'' 143, ,91 5', ,61 6,64 P [bar],,,, h [kj/kgr] 31, , ,434 93, ,14 493,853 51, , , ,893 s [kj/kgr K] 1,110 1,110 1,1085 1,910 1,4743 1,787 1,8478 1,8478 1,8786 1,8575 u [m^3/kgr] 0, , , , , , , , , , e [kj/kgr] 13, ,889 15,8781, ,677 75, ,911 18,116 18, , T [C] q=0 q=1 ORC με δύο πηγές θερμότητας P=,bar P=bar ,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 s [kj/kgr K] Εικόνα 4, ORC με δύο πηγές θερμότητας για το μέσο R1 σε διάγραμμα T-s 108,

115 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ Τεχνικές προδιαγραφές του κινητήρα MAN φυσικού αερίου. 109