Επίδραση υπερκρίσιμων παραμέτρων οργανικού ρευστού στο σχεδιασμό εναλλακτών θερμότητας για κύκλους ORC

Abstract

Τα τελευταία χρόνια ο οργανικός κύκλος Clausius-Rankine (Organic Rankine Cycle) χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε διάφορες εφαρμογές εκμετάλλευσης πηγών ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η γεωθερμία, η ηλιακή ενέργεια και η θερμότητα που απορρίπτεται στο περιβάλλον ως παραπροϊόν διαφόρων παραγωγικών διαδικασιών . Η διαφορά ενός κύκλου ORC από τον κλασσικό κύκλο Rankine είναι η χρήση κάποιου οργανικού μέσου αντί για νερό-ατμό. Η αρχή λειτουργίας ενός κύκλου ORC είναι ακριβώς η ίδια με ένα κύκλο Rankine νερού - ατμού. Συνήθως η πρόσδοση θερμότητας στον οργανικό κύκλο Rankine γίνεται με τη βοήθεια ειδικού θερμικού ελαίου, για την αποφυγή τοπικής υπερθέρμανσης του οργανικού ρευστού και για την εξασφάλιση της λειτουργίας του εναλλάκτη θερμότητας σε ατμοσφαιρική πίεση. Στις σύγχρονες εφαρμογές συνήθως ως στρόβιλος χρησιμοποιείται μια μηχανή τύπου scroll ή screw. Ωστόσο μελετάται η χρήση εμβολοφόρου εκτονωτή καθώς έχει το πλεονέκτημα να μην επηρεάζεται από την ύπαρξη σταγονιδίων κατά την εκτόνωση και έτσι μπορεί να λειτουργεί με κορεσμένο ή ελαφρώς υπέρθερμο ατμό και να περνά από την υγρή περιοχή χωρίς προβλήματα. Οι προσπάθειες στη διεθνή βιβλιογραφία επικεντρώνονται στη μεγιστοποίηση του θερμικού βαθμού απόδοσης του κύκλου ORC Το κρίσιμο σημείο των οργανικών μέσων βρίσκεται σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και πιέσεις με αποτέλεσμα να είναι εύκολα πραγματοποιήσιμος ένας κύκλος ORC σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Ένα πρόβλημα ιδιαίτερης σημασίας σε υπερκρίσιμους κύκλους ORC είναι η διαστασιολόγηση του εναλλάκτη θερμότητας (εξατμιστήρας) και του καθορισμού των παραμέτρων σχεδίασης του, το οποίο περιλαμβάνει και την μελέτη των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Οι Schuster, Aumann και Καρέλλας μελέτησαν τις δυνατότητες εφαρμογής ενός υπερκρίσιμου ORC και έδειξαν ότι υπερκρίσιμες συνθήκες εργαζόμενου μέσου οδηγούν σε χαμηλότερες εξεργειακές απώλειες και αποδοτικότερη εκμετάλλευση της πηγής θερμότητας, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις που αυτή βρίσκεται σε χαμηλή θερμοκρασία Επομένως είναι απαραίτητη η μελέτη ενός υπερκρίσιμου οργανικού κύκλου Rankine από θερμοδυναμικής άποψης αλλά και σε συνδυασμό με την απόδοση και τα χαρακτηριστικά του εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος είναι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία ενός συστήματος ORC.

The applications of Organic Rankine Cycle (ORC) seem to become more and more present in the field of waste heat utilisation. This thermodynamic cycle can be successfully used in the field of biomass combustion, geothermal systems or solar desalination systems, providing efficient systems. In the last years, a very intense investigation on the utilization of low temperature waste heat for generating ORC systems has brought new research potential in the area of thermodynamic optimization of this cycle. More specifically, the use of supercritical fluid parameters in the ORC processes seems to become more and more attractive leading to lower exergy destruction systems together with higher heat utilisation systems. However, the investigation of the heat exchanger design and the heat exchange coefficients is of high importance for these applications as the effective heat transfer reflects to the overall process energetic and exergetic efficiency. It is important to study the basically unknown heat transfer mechanisms around the critical point to improve both the heat exchanger surface and the design algorithms. The aim of this diploma thesis is to investigate the influence of the ORC parameters in the heat exchanger design. More specifically the basic parameters of the design of the heat exchangers will be defined in the cases of supercritical fluid parameters and the convective coefficients as well as resulting heat transfer areas will be calculated for various fluid parameters.