Waste Heat Recovery on a Liquefied Natural Gas Carrier with Tri-fuel  Diesel Electric Propulsion using a Dual Loop Rankine Cycle

Lazaratou, Eleni; Λαζαράτου, Ελένη

dc.contributor.author	Lazaratou, Eleni	en
dc.contributor.author	Λαζαράτου, Ελένη	el
dc.date.accessioned	2016-03-08T07:35:54Z
dc.date.available	2016-03-08T07:35:54Z
dc.date.issued	2016-03-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42104
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11286
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Waste heat recovery	en
dc.subject	Liquefied Natural Gas	en
dc.subject	Rankine cycle	en
dc.subject	Diesel electric propulsion	en
dc.subject	Απορριπτόμενη θερμότητα	el
dc.subject	Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο	el
dc.subject	Κύκλος Rankine	el
dc.subject	Organic fluids	en
dc.subject	Ντιζελοηλεκτρική πρόωση	el
dc.subject	Οργανικά ρευστά	el
dc.title	Waste Heat Recovery on a Liquefied Natural Gas Carrier with Tri-fuel Diesel Electric Propulsion using a Dual Loop Rankine Cycle	en
dc.title	Εκμετάλλευση Απορριπτόμενης Θερμότητας σε Πλοίο Μεταφοράς Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου Ντιζελοηλεκτρικής Πρόωσης με Χρήση Διπλού Κύκλου Rankine	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Marine engineering	en
heal.classification	Ναυτική μηχανολογία	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-09
heal.abstract	An estimated 20-50% of fuel energy in industrial processes is lost as waste heat. The large majority of this heat is rejected at low temperatures with an approximate 60% of industrial waste heat having a temperature below 230⁰C and an impressive 90% having a temperature below 316⁰C [13]. The high cost of fuel and growing concerns about the environment demand better utilization of this energy source. The present study examines waste heat recovery using an organic Rankine cycle (ORC), a thermodynamic cycle based on the classic steam-water Rankine cycle but adapted for exploitation of low-grade heat by replacing water with an organic compound. The class of organic compounds encompasses a large number of molecules, which contain atoms of carbon linked to other elements. The main benefit of using organic compounds is that their lower boiling points and critical properties allow for evaporation at lower temperatures than water, meaning lower temperature heat sources can be exploited. The goal of the present work is to apply ORC waste heat recovery technology to a marine propulsion system in order to improve the propulsion efficiency and reduce fuel consumption. ORC technology for waste heat recovery is not new with the first applications having been examined in the 1970s. However, it has only gained ground for marine applications in the past few years with the first system installed on a 75,000 GT large car/truck carrier in 2011 [1], [2]. The vessel to be examined in the present work is a 159,000 m3 liquefied natural gas (LNG) carrier with a triple-fuel diesel-electric propulsion system. The waste heat from the exhaust gas and the engine cooling water will be recovered using a dual loop Rankine system. Ultimately, it will be shown that the propulsion system efficiency can be improved by 2-7% while the fuel energy consumption to maintain a given speed can be reduced by 5-14.5%, depending on the speed. The analysis will begin with a review of the theoretical concepts behind the proposed system, which includes an overview of Rankine cycle basics in Chapter 2 and an analysis on organic fluids and their relevant properties in Chapter 3. Existing applications of ORC technology will be presented in Chapter 4. The propulsion system to be examined in the present work is described in detail in Chapter 5. The initial design parameters for the Rankine cycle application will be reviewed in Chapter 6. The simulation model, analytical approach and optimization problem to be used for the final system design will be presented in Chapter 7 and the results of the simulation will be included in Chapter 8. The results will be assessed from a techno-economic viewpoint in Chapter 9 and the final conclusions and suggestions for further research will be presented in Chapter 10.	en
heal.abstract	Σε συνήθεις βιομηχανικές εγκαταστάσεις, ένα μεγάλο ποσοστό της ενέργειας του καυσίμου, της τάξεως του 20-50%, χάνεται με τη μορφή απορριπτόμενης θερμότητας, με το μεγαλύτερο μέρος αυτής της θερμότητας να αποβάλλεται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το δεδομένο αυτό, σε συνδυασμό με το υψηλό κόστος καυσίμου και τις ολοένα αυξανόμενες ανησυχίες για την κατάσταση του περιβάλλοντος, επιβάλλουν την καλύτερη αξιοποίηση αυτής της διαθέσιμης ενέργειας. Η παρούσα εργασία εξετάζει την ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμότητας από ναυτικούς κινητήρες ντίζελ με την τεχνολογία του οργανικού κύκλου Rankine (OΚΡ). Ο οργανικός κύκλος Rankine είναι ένας θερμοδυναμικός κύκλος που μετατρέπει διαθέσιμη θερμότητα σε χρήσιμη μηχανική ισχύς. Στηρίζεται στον κλασικό κύκλο νερού-ατμού αλλά προσαρμόζεται για την αξιοποίηση θερμότητας χαμηλών θερμοκρασιών μέσω της αντικατάστασης του νερού με κάποιο οργανικό ρευστό. Τα οργανικά ρευστά, που αποτελούνται από ενώσεις άνθρακα με άλλα στοιχεία, έχουν ως βασικό πλεονέκτημα τα χαμηλά σημεία βρασμού τους, που επιτρέπουν την αξιοποίηση πηγών απορριπτόμενης ενέργειας σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από το σημείο βρασμού του νερού, 100⁰C. Από τα ποικίλα οργανικά ρευστά που κρίνονται κατάλληλα για χρήση σε ναυτικές εφαρμογές, εδώ εξετάζονται το R-416a, η αμμωνία, το R-245fa, το νερό και το R-134a. Η τεχνολογία ΟΚΡ αρχικά εφαρμόστηκε τη δεκαετία του 1970, ωστόσο μόλις προσφάτως κέρδισε το ενδιαφέρον στο χώρο της ναυτικής μηχανολογίας, με το πρώτο σύστημα να εγκαθίσταται σε ένα οχηματαγωγό πλοίο το 2011. Πεδίο εφαρμογής της τεχνολογίας αυτής στη παρούσα εργασία, είναι ένα πλοίο υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG), μεταφορικής ικανότητας 158,000 m3 με ντιζελοηλεκτρική πρόωση. Η απολυόμενη θερμότητα από τα καυσαέρια και από το ψυκτικό νερό ανακτάται με χρήση ενός διπλού κύκλου Rankine. Οι καταλληλότερες παράμετροι για τον διπλό κύκλο προσδιορίζονται για τέσσερις συνδυασμούς υγρών με λύση προβλήματος βελτιστοποίησης που έχει ως αντικειμενική συνάρτηση τη μεγιστοποίηση της αποδιδόμενης ισχύος. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ικανή βελτίωση του βαθμού απόδοσης της προωστήριας εγκατάστασης κατά 2-7%, αναλόγως της ταχύτητας του πλοίου, ενώ η κατανάλωση καυσίμου μπορεί να μειωθεί 5-14.5% αντίστοιχα. Η τεχνοοικονομική θεώρηση του προτεινόμενου συστήματος δείχνουν ότι, για τωρινές τιμές φυσικού αερίου, το σύστημα έχει δείκτη καθαρής παρούσας αξίας γύρω στα 20 εκατομμύρια USD ενώ η δυναμική περίοδος αποπληρωμής είναι στα 12-14 χρόνια. Δεδομένου ότι η διάρκεια ζωής του υπό μελέτη πλοίου μπορεί να φτάσει τα 40 έτη, το σύστημα κρίνεται κατάλληλο για εφαρμογή. Η εργασία κλείνει με προτάσεις για συνέχιση της ερευνητικής προσπάθειας που περιλαμβάνουν πιθανές τροποποιήσεις στο προτεινόμενο σύστημα για βελτίωση της απόδοσης ή μείωση του κόστους του.	el
heal.advisorName	Φραγκόπουλος, Χρίστος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Κυρτάτος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	151 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true