Προσομοίωση συμπεριφοράς θερμοκινητήρα LiBr-H2Ο που αξιοποιεί θερμικές πηγές χαμηλού δυναμικού

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ένας κύκλος παραγωγής ενέργειας με τη χρήση ως λειτουργικού μέσου, το μίγμα βρωμιούχου λιθίου – νερού (LiBr-H2Ο). Ο κύκλος είναι κατάλληλος για πηγές θερμότητας χαμηλού δυναμικού όπως είναι η θερμότητα που παράγεται από γεωθερμικές εγκαταστάσεις και βιομηχανικά απόβλητα. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιούμε θερμική εγκατάσταση που κάνει χρήση ηλιακής ενέργειας. Η εργασία είναι χωρισμένη σε δύο μέρη, το θεωρητικό και το πρακτικό. Στο θεωρητικό μέρος γίνεται μια εισαγωγή στην εκμετάλλευση πηγών θερμότητας χαμηλού δυναμικού, παρουσιάζονται οι ιδιότητες του διαλύματος LiBr-H2Ο, καθώς και τεχνολογίες που κάνουν χρήση τέτοιων διαλυμάτων ως λειτουργικών μέσων. Έπειτα συγκρίνουμε τον κύκλο που διερευνούμε με τους κύκλους Kalina και Rankine και γίνεται σύντομη περιγραφή του μηχανισμού απορρόφησης, που αποτελεί βασική διεργασία του κύκλου. Τέλος παρουσιάζονται κάποιες εφαρμογές μεγάλης αλλά και μικρής κλίμακας. Στο πρακτικό μέρος παρουσιάζεται η εγκατάσταση στην οποία λειτουργεί ο κύκλος και επεξηγούνται οι θερμοδυναμικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα για συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα διερευνάται η λειτουργία του κύκλου παραμετροποιώντας ως προς τις εξής συνθήκες λειτουργίας: • Θερμοκρασία περιβάλλοντος Τamb, που καθορίζει και την ελάχιστη θερμοκρασία Tmin λειτουργίας του κύκλου • Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του κύκλου Τmax • Συγκέντρωση διαλύματος Χ% σε LiBr • Μεταβολή της διαφοράς της σύστασης σε βρωμιούχο λίθιο (LiBr) μεταξύ πλούσιου και φτωχού διαλύματος (ΔΧ%) που επιτυγχάνεται στον κύκλο. και παρουσιάζεται σε διαγράμματα: • Ενθαλπίας – συγκέντρωσης h-X • Θερμοκρασίας – εντροπίας T-s • Συντελεστής συμπεριφοράς PF σε συνάρτηση με την μέγιστη θερμοκρασία Τmax, την θερμοκρασία περιβάλλοντος Tamb και την συγκέντρωση X του διαλύματος LiBr-H2Ο. Στη συνέχεια, συγκρίνεται η απόδοση του κύκλου με τον κύκλο Rankine και παρουσιάζεται ο υπολογιστικός κώδικας με τον οποίο αναπαραστήσαμε τον κύκλο. Με τη βοήθεια υπολογιστικών δεδομένων που προέκυψαν από την επίλυση μαθηματικού μοντέλου προτείνεται μια προσεγγιστική εξίσωση που δίνει το μέγιστο συντελεστή συμπεριφοράς του κύκλου για κάθε θερμοκρασία λειτουργίας. Πιο συγκεκριμένα, γνωρίζοντας την θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την μέγιστη θερμοκρασία που επιλεγούμε να λειτουργήσει ο κύκλος μπορεί να προγνωστεί ο μέγιστος δυνατός συντελεστής συμπεριφοράς του κύκλου χωρίς να είναι αναγκαία η γνώση της συγκέντρωσης του διαλύματος LiBr-H2Ο που χρησιμοποιείται.

A power cycle is presented in this paper, that uses as a working substance a solution of LiBr-H2Ο. This cycle is appropriate for low dynamic heat power sources, such as the energy of geothermal applications or industrial wastes. Solar power is used in our case. The paper is divided in two parts, the theoritical and the computational. In the first part, an introduction in the usage of low dynamic heat power sources is presented, among with the properties of LiBr-H2Ο solution and technologies that use this solution. Also a comparison with the kalina cycle and a few applications of such technologies are comprimised. In the computational part, the hardware of the above application is being presented along with a parametrical study of the conditions of the LiBr-H2Ο solution. Finally a cross corellation is performed in mathcad programming language, in order to calculate an equation that provides the appropriate comprosition of LiBr-H2Ο solution for the best performance of the cycle under any conditions.