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

Abstract

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

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