ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011»

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ, ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΔΡΑΣΕΩΝ ΣΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑΣ (ΕΥΔΕ-ΕΤΑΚ) ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ «ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ & ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ» ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011» Συμπράξεις Παραγωγικών και Ερευνητικών Φορέων σε Εστιασμένους Ερευνητικούς και Τεχνολογικούς Τομείς Τίτλος Έργου: Αποδοτική Παραγωγή Ενέργειας χαμηλών θερμοκρασιών μέσω Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC) Ακρωνύμιο: «ΑΠΕ ΟΚ» Κωδικός Έργου : 11ΣΥΝ-7-1155 Παραδοτέο 1.1 (Π1.1): Έκθεση για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των κύκλων παραγωγής ενέργειας και ψύξης για αποδοτική παραγωγή ενέργειας χαμηλών θερμοκρασιών μέσω Οργανικού Κύκλου Rankine σε συνδυασμό με ηλιακή ή γεωθερμική ενέργεια Πρώτη έκδοση Υπεύθυνος Φορέας Παραδοτέου: TEI ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ 1

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στα πλαίσια της ενότητας εργασίας 1 πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση προκειμένου να διερευνηθούν οι ιδιότητες των διάφορων ψυκτικών ρευστών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στους κύκλους παραγωγής ενέργειας και ψύξης για αποδοτική παραγωγή ενέργειας χαμηλών θερμοκρασιών μέσω Οργανικού Κύκλου Rankine σε συνδυασμό με ηλιακή ή γεωθερμική ενέργεια όπως και να τεκμηριωθεί η επιλογή εκείνου του ψυκτικού ρευστού που κρίνεται το πλέον κατάλληλο για την παρούσα εφαρμογή. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές υπολογιστικής προσομοίωσης (computer modeling) για τη διερεύνηση της απόδοσης των ψυκτικών ρευστών που επιλέχθηκαν για τη συγκεκριμένη εφαρμογή έτσι ώστε να τεκμηριωθεί η επιλογή του πλέον κατάλληλου ψυκτικού ρευστού για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Το εργαζόμενο ρευστό-πτητικό μέσο που θα επιλεγεί πρέπει να ικανοποιεί κριτήρια όπως: σταθερότητα, μη ρύπανση (non-fouling), μη διαβρωτικότητα (non-corrosiveness), να μην είναι τοξικό και εύφλεκτο, κ.ά. Επίσης, πρέπει να έχει χαμηλό σημείο βρασμού (low boiling point) για να χρησιμοποιηθεί στον κύκλο. Επιπλέον, διερευνήθηκε μέσω υπολογιστικής προσομοίωσης (computer modeling) η επίδραση των θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών του εργαζόμενου ρευστού στην απόδοση της εγκατάστασης για (3) ψυκτικά ρευστά: R134a, HFE7000 και R245fa -που επιλέχθηκαν με βάση τη βιβλιογραφική ανασκόπηση- σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας. Βάσει της απόδοσης του κύκλου Rankine σε συνδυασμό με τα καταναλισκόμενα ποσά ενέργειας για θέρμανση και ψύξη, όπως προέκυψαν από την προσομοίωση, επιλέχθηκε το R134a. Για το συγκεκριμένο ψυκτικό ρευστό παρουσιάζεται ο ψυκτικός κύκλος λειτουργίας για τις 3 μηχανές ORC, μίας ονομαστικής ισχύος 10kW με θερμότητα που προέρχεται από τα ηλιακά και δύο ισχύος 10 & 30kWe με θερμότητα που προέρχεται από τη γεωθερμία. 2

Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ... 4 2. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΨΥΚΤΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE (ORC)... 8 2.1 Γενικά... 8 2.2 Ψυκτικό ρευστό R134a... 10 2.2.1 Γενικά... 10 2.2.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]... 11 2.2.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]... 12 2.2.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]... 13 2.3 Ψυκτικό ρευστό HFE7000... 14 2.3.1 Γενικά... 14 2.3.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]... 15 2.3.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]... 16 2.3.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]... 17 2.4 Ψυκτικό ρευστό R245fa... 18 2.4.1 Γενικά... 18 2.4.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]... 19 2.4.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]... 20 2.4.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]... 21 3. ΕΠΙΛΟΓΗ ΨΥΚΤΙΚΟΥ ΡΕΥΣΤΟΥ... 23 3.1 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα... 23 3.2 Επιλογή Ψυκτικού Ρευστού... 24 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΨΥΚΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΓΙΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΧΑΜΗΛΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΜΕΣΩ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE ΣΕ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ Η ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 28 4.1 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με ηλιακά... 28 4.2 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με γεωθερμία - 10kW... 29 4.3 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με γεωθερμία - 30kW... 29 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 31 3

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Στα πλαίσια της ενότητας εργασίας 1 πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση προκειμένου να διερευνηθούν οι ιδιότητες των διάφορων ψυκτικών ρευστών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στους κύκλους παραγωγής ενέργειας και ψύξης για αποδοτική παραγωγή ενέργειας χαμηλών θερμοκρασιών μέσω Οργανικού Κύκλου Rankine σε συνδυασμό με ηλιακή ή γεωθερμική ενέργεια όπως και να τεκμηριωθεί η επιλογή εκείνου του ψυκτικού ρευστού που κρίνεται το πλέον κατάλληλο για την παρούσα εφαρμογή. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές υπολογιστικής προσομοίωσης (computer modeling) για τη διερεύνηση της απόδοσης των ψυκτικών ρευστών που επιλέχθηκαν για τη συγκεκριμένη εφαρμογή με βάση τη βιβλιογραφική ανασκόπηση- έτσι ώστε να τεκμηριωθεί η επιλογή του πλέον κατάλληλου ψυκτικού ρευστού για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Ο οργανικός κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle, ORC) είναι ένας κύκλος Clausius- Rankine στον οποίο χρησιμοποιείται οργανικό εργαζόμενο μέσο στη θέση του νερού-ατμού. Τα τελευταία χρόνια ο κύκλος έχει γίνει αρκετά δημοφιλής στον τομέα παραγωγής ενέργειας λόγω του γεγονότος ότι έχει την δυνατότητα να χρησιμοποιεί τη θερμότητα καυσαερίων χαμηλής θερμοκρασίας καθώς και οποιαδήποτε πηγή ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας για να παράγει ηλεκτρισμό. Συνήθως ως εργαζόμενο μέσο χρησιμοποιείται οργανικό ρευστό υψηλής μοριακής μάζας το οποίο επιτρέπει στον κύκλο Rankine την ανάκτηση θερμότητας και από πηγές ενέργειας όπως είναι η αποβαλλόμενη θερμότητα καυσαερίων από συμβατικές μορφές ενέργειας ή από ΑΠΕ όπως γεωθερμική και ηλιακή ενέργεια. Το χαρακτηριστικό των οργανικών αυτών ρευστών είναι η χαμηλή θερμοκρασία βρασμού σε σχέση με αυτή του νερού. Η θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας μέσω του κύκλου μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο το οποίο με την σειρά του μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο οργανικός κύκλος Rankine (Organic Rankine cycle - ORC) εφαρμόζει την αρχή του κύκλου Rankine ατμών αλλά χρησιμοποιεί οργανικό ρευστό με χαμηλό σημείο βρασμού για να ανακτήσει τη θερμότητα από χαμηλής θερμοκρασίας πηγές θερμότητας. Η επιλογή του ψυκτικού ρευστού για μία δεδομένη εφαρμογή αποτελεί σημείο κλειδί για την επιτυχή υλοποίηση της [1-16]. Η κλίση της καμπύλης κορεσμού του εργαζόμενου ρευστού σε ένα διάγραμμα T-s μπορεί να είναι θετική, αρνητική ή κάθετη και τα ρευστά αποκαλούνται αντίστοιχα υγρά (wet), ξηρά (dry), ισεντροπικά (isentropic) [14]. Τα υγρά ρευστά όπως το νερό συνήθως πρέπει να υπερθερμανθούν ενώ πολλά οργανικά ρευστά που μπορεί να είναι ξηρά ή ισεντροπικά δε χρειάζονται υπερθέρμανση. Ενδεικτικά στα χαρακτηριστικά του ψυκτικού ρευστού που διερευνώνται περιλαμβάνονται [3]: 1. Θερμοδυναμική απόδοση: η απόδοση και η παραγόμενη ισχύς πρέπει να είναι η μεγαλύτερη δυνατή για δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας. Αυτό συνήθως συνδέεται με χαμηλή κατανάλωση αντλίας και υψηλό κρίσιμο σημείο. 2. Θετική ή ισεντροπική καμπύλη κορεσμού ατμών. Στην περίπτωση θετικής καμπύλης κορεσμού ατμών (dry fluid) μπορεί να χρησιμοποιηθεί εναλλάκτης ανάκτησης (recuperator) για την αύξηση της απόδοσης του κύκλου. Αρνητική καμπύλη οδηγεί σε σχηματισμό σταγόνων στο τέλος της εκτόνωσης [4]. Ο ατμός πρέπει να έχει υπερθερμανθεί στην είσοδο του στροβίλου έτσι ώστε να αποφευχθεί η καταστροφή του στροβίλου το οποίο και μειώνει την απόδοση του κύκλου [5]. 4

3. Υψηλή πυκνότητα ατμών: αυτή η παράμετρος είναι σημαντική ειδικά για ρευστά που δείχνουν χαμηλή πίεση συμπύκνωσης. Χαμηλή πυκνότητα οδηγεί σε μεγάλο εξοπλισμό στα επίπεδα της εκτόνωσης και της συμπύκνωσης. 4. Αποδεκτές πιέσεις: οι υψηλές πιέσεις συνήθως οδηγούν σε υψηλότερο κόστος επένδυσης και αυξημένη πολυπλοκότητα. 5. Υψηλή θερμοκρασία ευστάθειας (High stability temperature): σε αντίθεση με το νερό, τα οργανικά ρευστά συνήθως υποφέρουν- από χημικές φθορές και διασπάσεις σε υψηλές θερμοκρασίες. Για αυτό η μέγιστη θερμοκρασία περιορίζεται από τη χημική ευστάθεια του ρευστού. 6. Χαμηλό σημείο βρασμού (low boiling point) βάσει των απαιτήσεων του έργου EFFI- LOW-RES. 7. Χαμηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις και υψηλό επίπεδο ασφάλειας: οι κύριες παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι το δυναμικό εξάντλησης-αφαίρεσης του όζοντος (Ozone Depleting Potential (ODP)), το δυναμικό θέρμανσης θερμοκηπίου (Greenhouse Warming Potential (GWP)), η τοξικότητα και η ευφλεκτότητα. 8. Καλή εμπορική διαθεσιμότητα και χαμηλό κόστος. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη εκτός των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων είναι τα νομοθετικά μέτρα και οι κανονισμοί που ισχύουν για τη λειτουργία των οργανικών μέσων. Η προστασία της τρύπας του όζοντος και η μείωση των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου έχουν προσθέσει νέους κανόνες σε διεθνές, Ευρωπαϊκό και Ελληνικό επίπεδο. Κατά καιρούς έχουν συνταχθεί πρωτόκολλα όπως το πρωτόκολλο του Μόντρεαλ και το πρωτόκολλο του Κιότο με κανονισμούς και απαγορεύσεις όσον αφορά τις εκπομπές αερίων. Στον πίνακα 1.1 [6] δίνονται τιμές και εκτίμηση του παράγοντα GWP, ευφλεκτότητας, κρίσιμης θερμοκρασίας και κρίσιμης πίεσης για διάφορα ρευστά που έχουν διερευνηθεί διεθνώς για εφαρμογές ORC ενώ στον πίνακα 1.2 αναφέρονται περιβαλλοντικές ιδιότητες του ψυκτικού ρευστού HFE7000 [7] το οποίο επίσης έχει χρησιμοποιηθεί για τέτοιες εφαρμογές. Η κρίσιμη θερμοκρασία δίνει μία πρώτη εκτίμηση της απόδοσης του κύκλου ORC. Ολες οι ιδιότητες λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων-λογισμικό Refprop (το οποίο χρησιμοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία). Πίνακας 1.1 Τιμές και εκτίμηση GWP, ευφλεκτότητας, κρίσιμης θερμοκρασίας και κρίσιμης πίεσης για διάφορα ρευστά [6] 5

Πίνακας 1.2 Περιβαλλοντικές Ιδιότητες του ψυκτικού ρευστού HFE7000 [7] Σημειώνεται ότι τα ψυκτικά ρευστά που διερευνώνται έχουν ελάχιστη τοξικότητα και διατηρούν καλή συμβατότητα υλικών και όρια ευστάθειας. Για την επιλογή ψυκτικού μέσου για τις μηχανές ORC με θερμοκρασία εισόδου στο στρόβιλο ~80 o C διερευνήθηκαν διαφορετικά ψυκτικά μέσα, όπως R410A, R404A, HFC125, στα οποία όμως το κρίσιμο σημείο της καμπύλης στο διάγραμμα p-h ήταν πλησίον της θερμοκρασίας των 80oC, οπότε και απορρίφθηκαν. Επίσης, για τα ψυκτικά μέσα όπως R407c, R32, απαιτείται σημαντική υπερθέρμανση για την αποφυγή σταγονιδίων στο στρόβιλο, που θα οδηγήσει σε σημαντική μείωση της απόδοσης, οπότε αντιστοίχως απορρίπτονται. Λαμβάνοντας υπόψη λοιπόν τα βασικά κριτήρια της θερμοκρασίας εισόδου στο στρόβιλο και την απόδοση του ψυκτικού κύκλου όπως επίσης και τα προαναφερθέντα περιβαλλοντικά κριτήρια καθώς και την διαθεσιμότητα στην αγορά των ψυκτικών μέσων επιλέχθηκαν τρία ψυκτικά μέσα. Πιο συγκριμένα, τα ψυκτικά μέσα R134a, R245fa και HFE7000 έχουν θερμοδυναμικές ιδιότητες που τα καθιστούν κατάλληλα για χρήση σε εφαρμογές ORC με χαμηλής θερμοκρασίας πηγή θερμότητας για αυτό και επιλέχθηκαν στη συνέχεια για περαιτέρω διερεύνηση. Τo R134a έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Πρωτογενές, αζεοτροπικό ψυκτικό ρευστό -CH2FCF3. Μη εύφλεκτο και μη τοξικό και ασφαλέστερο σε σχέση με άλλα ψυκτικά ρευστά που κυκλοφορούν στην αγορά [4]. Έχει μηδενική συμμετοχή στην Καταστροφή του όζοντος (ODP), και Δείκτη 1300 συμμετοχής στο Φαινόμενο του Θερμοκηπίου (GWP). Επίσης, παρουσιάζει μέγιστη απόδοση περίπου στους 75 ο C. Για τον λόγο αυτό και επειδή το έργο αφορά ηλεκτροπαραγωγή στους 80 ο C από ηλιακά και γεωθερμία, το R134a δύναται να επιλεχθεί ως εργαζόμενο μέσο. Τέλος, είναι διαθέσιμο στην αγορά, χρησιμοποιείται σε ποικίλες εφαρμογές και ως εκ τούτου είναι ψυκτικό μέσο χαμηλού κόστους. Το ρευστό R245fa έχει προταθεί ευρέως για χρήση σε συστήματα ORC χαμηλών θερμοκρασιών [7], εντούτοις το GWP είναι 950. Ενδεικτικά προτείνεται για εφαρμογές όπως: Φυγοκεντρικοί ψύκτες Σε οργανικούς κύκλους Rankine για ανάκτηση ενέργειας. Μπορεί να εφαρμοστεί για την εκμετάλλευση και μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας σε χρήσιμη ενεργεια σε μονάδες παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. Πιο συγκεκριμένα το ποσό της διαθέσιμης ηλεκτρικής ενέργειας ανα μονάδα βάρους του ορυκτού καυσίμου αυξάνεται και μας βοηθάει να ικανοποιήσουμε τη ζήτηση χωρίς να αυξήσουμε τις εκπομπές της εγκατάστασης. Σε συστήματα μετατροπής ηλιακής ενέργειας, κ.ά. 6

Τα πλεονεκτήματα είναι ότι δεν είναι τοξικό, έχει καλές θερμικές ιδιότητες και είναι πιο σταθερό σε συγκεκριμένες περιβαντολογικές συνθήκες. Το HFE7000 (3M Novec 7000 Engineered Fluid, (1-methoxyheptafluoropropane)), είναι ένα μη εύφλεκτο ρευστό που ανήκει στη κατηγορία των ρευστών που μπορούν να μειώσουν το φαινόμενο της παγκόσμιας θέρμανσης. Τα πλεονεκτήματα του είναι τα εξής: Ανήκει στην κατηγορία ρευστών με χαμηλό GWP (Global Warming Potential) Εχει άριστες διηλεκτρικές ιδιότητες Μηδενικές πιθανότητες καταστροφής του όζοντος Καλή συμβατότητα υλικών Χαμηλή τοξικότητα Μη εύφλεκτο Μη διαβρωτικό Καλή θερμική σταθερότητα Χρήσιμο σε ακραία χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον είναι διαθέσιμο για εμπορική πώληση σε Ηνωμένες Πολιτείες, Κίνα, Μαλαισία, Σινγκαπούρη και Ταϊβάν ενώ βρίσκεται σε διαδικασία ελέγχου από τις αρμόδιες αρχές σε Ευρώπη, Ιαπωνία, Φιλιππίνες και Κορέα. 7

2. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΨΥΚΤΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE (ORC) 2.1 Γενικά Οπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα το εργαζόμενο ρευστό-πτητικό μέσο πρέπει να ικανοποιεί κριτήρια όπως: σταθερότητα, μη ρύπανση (non-fouling), μη διαβρωτικότητα (non-corrosiveness), να μην είναι τοξικό και ευφλεκτο, κ.ά. Επίσης, πρέπει να έχει χαμηλό σημείο βρασμού (low boiling point) για να χρησιμοποιηθεί στον κύκλο. Με βάση τη βιβλιογραφική ανασκόπηση που παρουσιάσθηκε στην προηγούμενη ενότητα διερευνήθηκε μέσω υπολογιστικής προσομοίωσης (computer modeling) η επίδραση των θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών του εργαζόμενου ρευστού στη θερμική συμπεριφορά της εγκατάστασης και επιλέχθηκαν (3) ψυκτικά ρευστά: R134a, HFE7000 και R245fa. Για την αρχική προσομοίωση του κύκλου Rankine με τα (3) ψυκτικά ρευστά, χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο Cycle-Tempo. Επίσης αξιοποιήθηκε η βάση δεδομένων RefProp 9.1 με τις ιδιότητες των ψυκτικών ρευστών. Προκειμένου να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ των δεδομένων του RefProp και του Cycle Tempo, χρησιμοποιήθηκε επιπλέον και το λογισμικό FluidProp. Στο Σχήμα 2.1 παρουσιάζεται ενδεικτικό διάγραμμα του ψυκτικού κύκλου όπως σχεδιάστηκε στο υπολογιστικό πακέτο Cycle Tempo. Σχήμα 2.1 Ψυκτικός κύκλος Για την προσομοίωση του ψυκτικού κύκλου έγιναν οι ακόλουθες παραδοχές (Σχήμα 2.1): Η πίεση και η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας [1], προήλθαν βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό και σύμφωνα με την επιθυμητή θερμοκρασία (75 ή 65 ο C). Θεωρήθηκε ότι ο στρόβιλος [2] έχει ισεντροπικό βαθμό απόδοσης (0,70) και μηχανικό βαθμό απόδοσης (0,8). Θεωρήθηκε ότι η ηλεκτρική ισχύς της γεννήτριας απόδοσης (0,97). 8 είναι (10kWe) με βαθμό

Η πίεση εισόδου στον σωλήνα [2] προήλθε βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό. Στο συμπυκνωτή [3] ως θερμοκρασία εξόδου του οργανικού ρευστού δόθηκε η ζητούμενη (30 ή 40 ο C) και θεωρήθηκε ότι η θερμοκρασία του ψυκτικού (νερό) ανεβαίνει κατά 5 ο C, από τους 15 ο C που ξεκινάει στη πηγή [6], με πίεση 1bar. Η αντλία [4] θεωρήθηκε ότι έχει βαθμό απόδοσης (0.75) και ότι ανεβάζει το νερό σε πίεση 4bar. Στον σωλήνα [6] δόθηκε ως συνθήκη στην είσοδό του, το οργανικό ρευστό να είναι σε υγρή κατάσταση 100%. Δηλ. ο συμπυκνωτής μετατρέπει όλο το οργανικό ρευστό από την αέρια στην υγρή κατάσταση. Η αντλία [5] θεωρήθηκε ότι έχει ισεντροπικό βαθμό απόδοσης (1) και ότι ανεβάζει το οργανικό ρευστό σε πίεση ίση με την επιθυμητή. Η τιμή προήλθε βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό. Ως περιβάλλον χρησιμοποιήθηκε το προεπιλεγμένο που έχει το Cycle-Tempo, δηλ. θερμοκρασία 15 ο C και πίεση 1.01325bar. Οι υπολογισμοί των τιμών θερμότητας έγιναν στους 20 ο C και σε πίεση 1atm. Σε κάθε σωλήνα υπολογίζεται μεταξύ άλλων η παροχή μάζας, η παροχή όγκου, η ενθαλπία και η εντροπία. Για τον συμπυκνωτή (heat exchange equipment) υπολογίζεται η ισχύς της θερμότητας που μεταφέρθηκε για την ψύξη του οργανικού ρευστού. Φαίνονται οι βαθμοί απόδοσης των αντλιών, της γεννήτριας και του στροβίλου. Στις επόμενες υπο-ενότητες παρουσιάζονται αναλυτικά για κάθε ένα από τα τρία ψυκτικά ρευστά: 1. (1) διάγραμμα με τη καμπύλη p-h όπως δημιουργείται με το RefProp. Με κόκκινο είναι οι ισοθερμοκρασιακές καμπύλες για τις θερμοκρασίες που μελετηθήκαν. 2. (2) δύο πίνακες: ο ένας δίνει τις ιδιότητες του ρευστού πάνω στη καμπύλη για τις απαιτούμενες θερμοκρασίες, όπως προκύπτει από το RefProp και ο άλλος είναι στην ουσία ο πρώτος μόνο που έχει γίνει μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar]. 3. Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασίας 75-30 [ ο C]: o Πίνακας με τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου βάσει των αποτελεσμάτων του υπολογιστικού πακέτου Cycle-Tempo. o Πίνακας με τα αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες βάσει του υπολογιστικού πακέτου Cycle-Tempo. o (3) Πίνακες με τα αποτελέσματα για τον εξοπλισμό βάσει του υπολογιστικού πακέτου Cycle-Tempo 9

4. Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασίας 75-40 [ ο C], όμοια με αυτά του βήματος (3). 5. Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασίας 65-40 [ ο C], όμοια με αυτά του βήματος (3). 2.2 Ψυκτικό ρευστό R134a 2.2.1 Γενικά Στο Σχήμα 2.2 παρουσιάζεται το Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το R134a και στους πίνακες 2.1 και 2.2 δίνονται Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών, Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R134a με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar]. Σχήμα 2.2 Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το R134a [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Πίνακας 2.1: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R134a [Πηγή NIST-RefProp 9.1] 10

Πίνακας 2.2: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R134a με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar], [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Temperature [K] Temperature [ o C] Pressure [Mpa] Pressure [bar] Liquid Density Vapor Density Liquid Enthalpy [kj/kg] Vapor Enthalpy [kj/kg] Liquid Entropy [kj/kgk] Vapor Entropy [kj/kgk] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] 348.15 75.00 2.3641 23.6410 964.09 133.49 313.13 429.03 1.3580 1.6909 338.15 65.00 1.8898 18.8980 1025.60 100.40 295.76 427.82 1.3088 1.6993 313.15 40.00 1.0166 10.1660 1146.70 50.09 256.41 419.43 1.1905 1.7111 303.15 30.00 0.7702 7.7020 1187.50 37.54 241.72 414.82 1.1435 1.7145 2.2.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C] Στους πίνακες 2.3-2.5 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-30 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R134a πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 23.6410 7.7020 15.9390 414.82 429.03 243.51 241.72 14.21 187.31 7.59% Πίνακας 2.3 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - εύρος θερμοκρασιών για το R134a 75-30 [ ο C]. Πίνακας 2.4 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - εύρος θερμοκρασιών για το R134a και 75-30 [ ο C]. 11

Πίνακας 2.5 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - εύρος θερμοκρασιών για το R134a και 75-30 [ ο C]. 2.2.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.6-2.8 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.6 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - εύρος θερμοκρασιών για το R134a και 75-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R134a πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 40 35 23.6410 10.1660 13.4750 419.43 429.03 257.97 256.41 9.6 172.62 5.56% Πίνακας 2.7 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - R134a και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 12

Πίνακας 2.8 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - R134a και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 2.2.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.9-2.11 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 65-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.9 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - R134a και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R134a πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 65 40 25 18.8980 10.1660 8.7320 419.43 427.82 257.42 256.41 8.39 171.41 4.89% Πίνακας 2.10 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - R134a και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. 13

Πίνακας 2.11 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - R134a και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. 2.3 Ψυκτικό ρευστό HFE7000 2.3.1 Γενικά Στο Σχήμα 2.3 παρουσιάζεται το Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το HFE7000 και στους πίνακες 2.12 και 2.13 δίνονται Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών, Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το HFE7000 με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar]. Σχήμα 2.3 Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το HFE7000 [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Πίνακας 2.12: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το HFE7000 [Πηγή NIST-RefProp 9.1] 14

Temperature [K] Temperature [ o C] Pressure [Mpa] Pressure [bar] Liquid Density Vapor Density Liquid Enthalpy [kj/kg] Vapor Enthalpy [kj/kg] Liquid Entropy [kj/kgk] Vapor Entropy [kj/kgk] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] 348.15 75.00 0.3644 3.6435 1253.60 29.21 293.79 408.75 1.3020 1.6322 338.15 65.00 0.2753 2.7530 1286.30 22.11 280.68 400.63 1.2640 1.6187 313.15 40.00 0.1245 1.2454 1362.10 10.25 248.81 380.12 1.1664 1.5858 303.15 30.00 0.0867 0.8675 1390.60 7.26 236.38 371.91 1.1262 1.5732 Πίνακας 2.13: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το HFE7000 με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar], [Πηγή NIST- RefProp 9.1] 2.3.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C] Στους πίνακες 2.14-2.16 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-30 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.14 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την HFE7000 πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 3.6435 0.8675 2.7760 394.03 408.75 236.65 236.38 14.72 172.37 8.54% Πίνακας 2.15 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. 15

Πίνακας 2.16 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. 2.3.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.17-2.19 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.17 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την HFE7000 πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 40 35 3.6435 1.2454 2.3981 397.76 408.75 249.05 248.81 10.99 159.94 6.87% Πίνακας 2.18 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 16

Πίνακας 2.19 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 2.3.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.20-2.22 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 65-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.20 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την HFE7000 πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 65 40 25 2.7530 1.2454 1.5076 392.62 400.63 248.96 248.81 8.01 151.82 5.28% Πίνακας 2.21 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. 17

Πίνακας 2.22 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - HFE7000 και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 2.4 Ψυκτικό ρευστό R245fa 2.4.1 Γενικά Στο Σχήμα 2.4 παρουσιάζεται το Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το ψυκτικό ρευστό R245fa και στους πίνακες 2.23 και 2.24 δίνονται Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών, Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R245fa με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar]. Σχήμα 2.4 Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το R245fa [Πηγή NIST-RefProp 9.1] 18

Πίνακας 2.23: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R245fa [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Πίνακας 2.24: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R245fa με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar], [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Temperature [K] Temperature [ o C] Pressure [Mpa] Pressure [bar] Liquid Density Vapor Density Liquid Enthalpy [kj/kg] Vapor Enthalpy [kj/kg] Liquid Entropy [kj/kgk] Vapor Entropy [kj/kgk] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] 348.15 75.00 0.6951 6.9510 1187.60 38.63 301.87 458.40 1.3270 1.7766 338.15 65.00 0.5323 5.3227 1220.80 29.52 287.40 451.54 1.2853 1.7707 313.15 40.00 0.2505 2.5046 1296.70 14.12 252.57 433.71 1.1790 1.7574 303.15 30.00 0.1778 1.7779 1324.90 10.17 239.10 426.43 1.1355 1.7534 2.4.2 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C] Στους πίνακες 2.25-2.27 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-30 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.25 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R245fa πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 3.6435 0.8675 2.7760 394.03 408.75 236.65 236.38 14.72 172.37 8.54% 19

Πίνακας 2.26 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. Πίνακας 2.27 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-30 [ ο C]. 2.4.3 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.28-2.30 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 75-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.28 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R245fa πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 40 35 6.9510 2.5046 4.4464 443.51 458.4 253.03 252.57 14.89 205.83 7.23% 20

Πίνακας 2.29 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. Πίνακας 2.30 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 75-40 [ ο C]. 2.4.4 Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C] Στους πίνακες 2.31-2.33 δίνονται αποτελέσματα υπολογισμού του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα διαστήματα θερμοκρασιών 65-40 [ ο C], αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες και αποτελέσματα για τον εξοπλισμό για τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας. Πίνακας 2.31 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R245fa πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 65 40 25 5.3227 2.5046 2.8181 440.61 451.54 252.86 252.57 10.93 198.97 5.49% 21

Πίνακας 2.32 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. Πίνακας 2.33 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - R245fa και εύρος θερμοκρασιών 65-40 [ ο C]. 22

3. ΕΠΙΛΟΓΗ ΨΥΚΤΙΚΟΥ ΡΕΥΣΤΟΥ 3.1 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα Στον Πίνακα 3.1 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά αποτελέσματα υπολογισμού απόδοσης του οργανικού κύκλου για τα τρία ψυκτικά ρευστά που επιλέχθηκαν. Πίνακας 3.1: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα υπολογισμού απόδοσης οργανικού κύκλου για τα τρία ψυκτικά ρευστά που επιλέχθηκαν. Θερμοκρασίες πριν και μετά τη μετά την Με βάση τα αποτελέσματα διαπιστώνονται τα ακόλουθα: πριν την πηγή θερμότητας αντλία Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 23.6410 7.7020 15.9390 414.82 429.03 243.51 241.72 14.21 187.31 7.59% 75 40 35 23.6410 10.1660 13.4750 419.43 429.03 257.97 256.41 9.6 172.62 5.56% 65 40 25 18.8980 10.1660 8.7320 419.43 427.82 257.42 256.41 8.39 171.41 4.89% Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την μετά την R134a πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 3.6435 0.8675 2.7760 394.03 408.75 236.65 236.38 14.72 172.37 8.54% 75 40 35 3.6435 1.2454 2.3981 397.76 408.75 249.05 248.81 10.99 159.94 6.87% 65 40 25 2.7530 1.2454 1.5076 392.62 400.63 248.96 248.81 8.01 151.82 5.28% Θερμοκρασίες πριν και μετά τη Πιέσεις πριν και μετά την Πιέσεις πριν και μετά την μετά την HFE7000 R245fa πριν την πηγή θερμότητας αντλία Διαφορές ενθαλπιών Διαφορές ενθαλπιών Απόδοση Τ3 Τ4 ΔΤ P3 P4 ΔP H4 H3 H2 H1 Η3-Η4 Η3-Η1 [-] 75 30 45 6.9510 1.7779 5.1731 438.53 458.4 239.62 239.1 19.87 219.3 9.06% 75 40 35 6.9510 2.5046 4.4464 443.51 458.4 253.03 252.57 14.89 205.83 7.23% 65 40 25 5.3227 2.5046 2.8181 440.61 451.54 252.86 252.57 10.93 198.97 5.49% Βάσει του εύρους θερμοκρασιών το R245fa έχει τον καλύτερο βαθμό απόδοσης. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζει κατά ~1,5% καλύτερη απόδοση σε σχέση με το R134a και κατά ~0,5% καλύτερη απόδοση σε σχέση με το ΗFΕ7000. Εντούτοις, το R245fa απαιτεί μεγαλύτερα ποσά για τη συμπύκνωσή του. Κατά μέσο όρο για τα (3) ρευστά απαιτούνται: R134a: 177kJ/kg HFE7000: 162kJ/kg R245fa: 208kJ/kg Η παροχή μάζας για τα (3) ρευστά και για εύρος θερμοκρασιών 75-30 ο C είναι: R134a: 0,635kg/s HFE7000: 0,737kg/s R245fa: 0,546kg/s Με βάση τα παραπάνω δεδομένα από τις προσομοιώσεις προκύπτει ότι το οργανικό μέσο R245fa απορρίπτεται λόγω υψηλού απαιτούμενου ποσού θερμότητας και το HFE7000 απορρίπτεται λόγω υψηλότερης απαιτούμενης παροχής μάζας, οπότε επιλέγεται το R134a το οποίο αποτελεί τη βέλτιστη λύση εξισορροπώντας τους τρεις παραπάνω παράγοντες που μελετήθηκαν. 23

3.2 Επιλογή Ψυκτικού Ρευστού Από τα (3) ψυκτικά ρευστά που εξεταστήκαν παραπάνω τελικά επιλέχθηκε το R134a. Για αυτό το ψυκτικό ρευστό και για εύρος θερμοκρασιών 75-35 ο C έγινε υπολογιστική προσομοίωση του οργανικού κύκλου Rankine. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα ακόλουθα διαγράμματα και πίνακες: 1. (1) διάγραμμα με τη καμπύλη p-h όπως δημιουργείται με το RefProp. Με μωβ είναι οι ισοθερμοκρασιακές καμπύλες για τις θερμοκρασίες που μελετηθήκαν. 2. (2) δύο πίνακες: ο ένας δίνει τις ιδιότητες του ρευστού πάνω στη καμπύλη για τις απαιτούμενες θερμοκρασίες, όπως προκύπτει από το RefProp και ο άλλος δίνει τις ιδιότητες του ρευστού πάνω στη καμπύλη για τις απαιτούμενες θερμοκρασίες αλλά έχει γίνει μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar]. 3. Αποτελέσματα για εύρος θερμοκρασίας 75-35 [ ο C] ως εξής: o Πίνακας με τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου. o Πίνακας με τα αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες. o (3) Πίνακες με τα αποτελέσματα για τον εξοπλισμό. Για την προσομοίωση του ψυκτικού κύκλου έγιναν οι ακόλουθες παραδοχές: Η πίεση και η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας [1], προήλθαν βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό και σύμφωνα με την επιθυμητή θερμοκρασία (75 ο C). Θεωρήθηκε ότι ο στρόβιλος-εκτονωτής [2] έχει ισεντροπικό βαθμό απόδοσης (0,70) και μηχανικό βαθμό απόδοσης (0,8). Θεωρήθηκε ότι η ηλεκτρική ισχύς της γεννήτριας είναι (10kWe) με βαθμό απόδοσης (0,97). Η πίεση εισόδου στον σωλήνα [2] προήλθε βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό και τη θερμοκρασία εξατμισης. Στο συμπυκνωτή [3] ως θερμοκρασία εξόδου του οργανικού ρευστού δόθηκε η ζητούμενη (35 ο C) και θεωρήθηκε ότι η θερμοκρασία του ψυκτικού ρευστού (νερόδευτερεύων κύκλωμα) ανεβαίνει κατά 5 ο C, από τους 15 ο C που ξεκινάει στη πηγή [6], με πίεση 1bar. Η αντλία [4] θεωρήθηκε ότι έχει βαθμό απόδοσης (0.75) και ότι ανεβάζει το νερό σε πίεση 4bar. Στον σωλήνα [6] δόθηκε ως συνθήκη στην είσοδό του, το οργανικό ρευστό να είναι σε υγρή κατάσταση 100%. Δηλ. ο συμπυκνωτής μετατρέπει όλο το οργανικό ρευστό από την αέρια στην υγρή κατάσταση χωρίς να υπάρχει υπόψυξη. Η αντλία [5] θεωρήθηκε ότι έχει ισεντροπικό βαθμό απόδοσης (1) και ότι ανεβάζει το οργανικό ρευστό σε πίεση ίση με την επιθυμητή. Η τιμή προήλθε βάσει του πίνακα από το RefProp για το συγκεκριμένο ρευστό. 24

Ως περιβάλλον χρησιμοποιήθηκε το προεπιλεγμένο που έχει το Cycle-Tempo, δηλ. θερμοκρασία 15 ο C και πίεση 1.01325bar. Οι υπολογισμοί των τιμών θερμότητας έγιναν στους 20 ο C και σε πίεση 1atm. Σε κάθε σωλήνα υπολογίζεται μεταξύ άλλων η παροχή μάζας, η παροχή όγκου, η ενθαλπία και η εντροπία. Για τον συμπυκνωτή (heat exchange equipment) υπολογίζεται η ισχύς της θερμότητας που μεταφέρθηκε για την ψύξη του οργανικού ρευστού. Φαίνονται οι βαθμοί απόδοσης των αντλιών, της γεννήτριας και του στροβίλουεκτονωτή. Σχήμα 3.1 Διάγραμμα ενθαλπίας-πίεσης για το R134a [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Πίνακας 3.2: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R134a [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Πίνακας 3.3: Τιμές πιέσεων και ενθαλπιών βάσει των επιθυμητών θερμοκρασιών για το R134a με μετατροπή της θερμοκρασίας σε [ ο C] και της πίεσης σε [bar], [Πηγή NIST-RefProp 9.1] 25

Σχήμα 3.2 Ψυκτικός κύκλος διεργασιών - R134a Πίνακας 3.4 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του οργανικού κύκλου - εύρος θερμοκρασιών 75-35 [ ο C]. Πίνακας 3.5 Αποτελέσματα για όλους τους σωλήνες - εύρος θερμοκρασιών 75-35 [ ο C]. 26

Πίνακας 3.6 Αποτελέσματα για τον εξοπλισμό - εύρος θερμοκρασιών 75-35 [ ο C]. 27

4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΨΥΚΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΓΙΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΧΑΜΗΛΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΜΕΣΩ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ RANKINE ΣΕ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ Η ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σε αυτό το κεφάλαιο ο ψυκτικός κύκλος λειτουργίας της εγκατάστασης και εξαιτίας των περιορισμών των επιμέρους εξαρτημάτων (εναλλάκτες συμπύκνωσης-εξάτμισης, στρόβιλος ORC κλπ) περιγράφεται ακολούθως για τις 3 μηχανες συμπαραγωγής ενέργειας με πηγή τα ηλιοθερμικά και τη γεωθερμία. 4.1 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με ηλιακά Σχήμα 4.1 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας - R134a Εγκατάσταση με ηλιακά [Πηγή NIST- RefProp 9.1] Τα σημεία λειτουργίας είναι: 1: Υγρό (saturated liquid), 35 o C, 8.87bar(a), 249,01kJ/kg 2: Υγρό (Liquid), 35,95 o C, 23.8bar(a) 3: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), {77 o C=75 o C +2 o C(superheat)}, 23.8bar(a) 4: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), 35.89 o C, 8.87bar(a) 28

4.2 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με γεωθερμία - 10kW Σχήμα 4.2 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας - R134a Εγκατάσταση με γεωθερμία 10kW [Πηγή NIST-RefProp 9.1] Τα σημεία λειτουργίας είναι: 1: Υγρό (saturated liquid), 35 o C, 8.87bar(a), 249,01kJ/kg 2: Υγρό (Liquid), 35,95 o C, 23.8bar(a) 3: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), {77 o C=75 o C +2 o C (superheat)}, 23.8bar(a) 4: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), 35.89 o C, 8.87bar(a) 4.3 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας εγκατάστασης με γεωθερμία - 30kW Σχήμα 4.3 Ψυκτικός κύκλος λειτουργίας - R134a Εγκατάσταση με γεωθερμία 30kW [Πηγή NIST-RefProp 9.1] 29

Τα σημεία λειτουργίας είναι: 1: Υγρό (saturated liquid), 35 o C, 8.8700bar(a), 249,01kJ/kg 2: Υγρό (Liquid), 35,95 o C, 23.8bar(a) 3: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), {77 o C=75 o C +2 o C (superheat)}, 23.8bar(a) 4: Υπέρθερμο αέριο (Superheated GAS), 35.89 o C, 8.87bar(a) 30

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Quoilin, S. 2007. Experimental Study and Modeling of a Low Temperature Rankine Cycle for Small Scale Cogeneration. Master Thesis, Univerité de Liège. 2. Quoilin, S, Orosz, M., Lemort, V., Modeling and experimental investigation of an Organic Rankine cycle system using scroll expander for small scale solar applications, EUROSUN 1st International Conference on Solar Heating, Cooling and Building, Lisbon, October 2008. 3. Quoilin, S, V. Lemort, Technological and Economical Survey of Organic Rankine Cycle Systems, 5 th European Conference Economics and Management of Energy in Industry, Portugal April 14-17 2009. 4. Bertrand Fankam Tchanche, George Papadakis, Gregory Lambrinos, Antonios Frangoudakis, Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle, Applied Thermal Engineering 29 (2009) 2468 2476. 5. T. Yamamoto, T. Furuhata, N. Arai, K. Mori, Design and testing of the organic Rankine cycle, Energy 26 (2001) 239 251. 6. B.V. Datla, J.J. Brasz, Organic Rankine Cycle System Analysis for Low GWP Working Fluids International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 16-19, 2012. 7. G. J. Zyhowski, M. M. Spatz, S. Y. Motta, «An Overview Of The Properties And Applications of HFC-245fa», International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2002, Purdue University. 8. 3M Novec 7000 Engineered Fluid, Product Information 9. L.J. Brasz, W.M. Bilbow, Ranking of Working Fluids for Organic Rankine Cycle Applications, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2004, Purdue University. 10. Saleh, B., G. Koglbauer, M. Wendland and J. Fischer. Working fluids for lowtemperature Organic Rankine Cycles, Energy, 32 (2007) 1210 1221. 11. Fankam, B. T., G. Papadakis, G. Lambrinos, A. Frangoudakis. Fluid selection for a lowtemperature solar organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering 29 (2009) 2468 2476. 12. Hettiarachchia, H.D.M, M. Golubovica, and W.M. Worek. 2007. Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources. Energy 32(9): 1698-1706. 13. Huijuan Chen, D. Yogi Goswami, Elias K. Stefanakos, «A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat», Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 3059 3067. 14. Stine WB, Harrigan RW. Solar energy fundamentals and design. Wiley; 1985. 15. Andersen WC, Bruno TJ. Rapid screening of fluids for chemical stability inorganic Rankine cycle applications. Industrial and Engineering Chemistry Research 2005;44:5560 6. 16. S. Masheiti, B. Agnew and S. Walker, An Evaluation of R134a and R245fa as the Working Fluid in an Organic Rankine Cycle Energized from a Low Temperature Geothermal Energy Source, Journal of Energy and Power Engineering 5 (2011) 392-402. 17. Lemmon, E.W., Huber, M.L., McLinden, M.O. NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 9.1, 31

National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program, Gaithersburg, 2013. 32