Διερεύνηση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης συστημάτων ORC διπλής βαθμίδας με ζεοτροπικά μείγματα υδρογονανθράκων και CO2 ως εργαζόμενα ρευστά

Γρίσπος, Βίκτωρας; Grispos, Viktoras

dc.contributor.author	Γρίσπος, Βίκτωρας	el
dc.contributor.author	Grispos, Viktoras
dc.date.accessioned	2020-11-16T05:35:13Z
dc.date.available	2020-11-16T05:35:13Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51913
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19611
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	Ζεοτροπικά	el
dc.subject	Οργανικός κύκλος Ράνκιν	el
dc.subject	Μονοβάθμιο	el
dc.subject	Διβάθμιο	el
dc.subject	Μείγματα	el
dc.subject	Organic Rankine Cycle-ORC	en
dc.subject	Zeotropic	en
dc.subject	Single stage	en
dc.subject	Double stage	en
dc.subject	Mixtures	en
dc.title	Διερεύνηση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης συστημάτων ORC διπλής βαθμίδας με ζεοτροπικά μείγματα υδρογονανθράκων και CO2 ως εργαζόμενα ρευστά	el
dc.title	Investigation of the exergetic efficiency of double-stage ORCs operating with zeotropic mixtures of hydrocarbons and CO2	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-15
heal.abstract	Σήμερα, τα συστήματα Οργανικού Κύκλου Rankine (Organic Rankine Cycle-ORC) προτείνονται ως λύση για την εκμετάλλευση πηγών θερμότητας χαμηλών θερμοκρασιών και την μετατροπή τους σε ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, εμπόδιο στην ευρεία εξάπλωση τους αποτελεί, αφενός, η χαμηλή ενεργειακή τους απόδοση και αφετέρου οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν από την χρήση των οργανικών ουσιών ως εργαζόμενα μέσα στα συστήματα αυτά. Με σκοπό να διερευνηθεί η δυνατότητα ελαχιστοποίησης του 1ου μειονεκτημάτος, στην παρούσα εργασία εξετάζονται, από εξεργειακή σκοπιά, 4 διαμορφώσεις ORC: το απλό/βασικό μονοβάθμιο ORC καθαρών ουσιών (Standard ORC-SORC), το απλό/βασικό μονοβάθμιο ORC ζεοτροπικών μειγμάτων (Zeotropic ORC-ZORC), το διβάθμιο ORC καθαρών ουσιών (Double Stage ORC-DSORC) και το διβάθμιο ORC ζεοτροπικών μειγμάτων (Double-Stage ORC with Zeotropic mixtures-DS-ZORC). Για την εξάλειψη του 2ου μειονεκτήματος, στις ανωτέρω διατάξεις εισάγονται καθαρές ουσίες ή μείγματα υδρογονανθράκων (HCs) και διοξειδίου του άνθρακα (CO2) οι οποίες έχουν πολύ χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Αρχικά, γίνεται μοντελοποίηση των 4 διαμορφώσεων στο περιβάλλον του λογισμικού AspenPlusTM και αφού επιλεγούν τα 6 εργαζόμενα μέσα (Κυκλοπεντάνιο, Πεντάνιο, Βουτάνιο, Ισοβουτάνιο, Προπάνιο, CO2), ακολουθεί η επιλογή των κατάλληλων παραμέτρων και παραδοχών λειτουργίας για τα υπο μελέτη συστήματα. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας μια μεθοδολογία διεξοδικής αναζήτησης, πραγματοποείται η προσομοίωση όλων των κύκλων για κάθε πιθανό συνδυασμό καθαρής ουσίας ή μείγματος και για κάθε εξεταζόμενη θερμοκρασία πηγής (100, 120, 140, 160 0C) προκειμένου να ευρεθούν οι μεταβλητές που βελτιστοποιούν το εκάστοτε σύστημα ORC, δηλαδή εκείνες που μεγιστοποιούν την εξεργειακή του απόδοση. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την θερμοδυναμική υπεροχή του συστήματος DS-ZORC στις 3 πρώτες θερμοκρασίες, αφού επιτυγχάνει σχετική εξεργειακή βελτίωση που φτάνει το 65,1 % στην θερμοκρασία 100 0C, το 49,5 % στην θερμοκρασία 120 0C και το 34,2 % στην θερμοκρασία των 140 0C, συγκριτικά με το βελτιστοποιημένο SORC. Επιπλέον, ιδιαίτερα ελκυστική αποδεικνύεται και η επιλογή του συστήματος ZORC στην θερμοκρασία των 160 0C, με την σχετική εξεργειακή του βελτίωση να αγγίζει το 37 % σε σχέση με το σύστημα SORC, ενώ σε μικρότερες θερμοκρασίες, υπάρχουν συγκεκριμένοι συνδυασμοί που καθιστούν την λειτουργία του αποδοτικότερη έναντι των υπόλοιπων διαμορφώσεων. Με δεδομένη την ύπαρξη λιγοστών αναφορών στο πεδίο των διβάθμιων ζεοτροπικών κύκλων και λαμβάνοντας υπόψην ότι η μεγάλη πλειοψηφία καθαρών ενώσεων και μειγμάτων δεν έχει ερευνηθεί ακόμα στις εξεταζόμενες διαμορφώσεις ORC (και ιδιαίτερα κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες), η παρούσα εργασία έρχεται να εμπλουτίσει την διαθέσιμη γνώση αναφορικά με την απόδοση των συστημάτων ORC και τέλος, να συμβάλλει στην κατανόηση τους, αλλά και να δώσει ερέθισμα στον αναγνώστη για περαιτέρω διερεύνηση των συστημάτων αυτών.	el
heal.abstract	Today, Organic Rankine Cycle (ORC) systems are proposed as a solution in order to extract heat from low temperature heat sources and convert it to electricity. However, there are two main barriers that prevent their wide applicability; On the one hand, they exhibit low energetic effieciency, and on the other hand, they cause environmental issues due to the organic subtances used as working fluids of these cycles. For the purpose of investigating the potential of minimizing the 1st barrier, this study is analyzing, from the scope of exergy, 4 ORC configurations; the standard ORC using pure fluids (SORC), the standard ORC using zeotropic mixtures (ZORC), the double stage ORC using pure fluids (DSORC) and the double stage ORC using zeotropic mixtures (DS-ZORC). In order to eliminate the second barrier, pure subtances and mixtures of hydrocarbons (HCs) and carbon dioxide (CO2), which they have very low environmental impact, are introduced in the above cycles. Firstly, 4 configurations are being modeled by the AspenPlusTM software and after the selection of 6 working fluids (Cyclopentane, Pentane, Butane, Isobutane, Propane, CO2), the next step is the selection of the appropriate parameters and the modelling asumptions of the analyzed cycles. Subsequently, a brute-force (exhaustive search) optimization methodology is implemented which involves simulating all cycles corresponding to all possible combinations of the pure subtances and mixtures, applied to all heat source temperatures (100, 120, 140, 160 0C), in order to find the optimization variables of the contextually ORC system, which corresponds to the variables that maximize it’s exergetic efficiency. In the first 3 temperatures, the results reveal the thermodynamic superiority of DS-ZORC system which achieves relative exergetic improvement 65,1 % at temperature of 100 0C, 49,5 % at temperature of 120 0C and 34,2 % at temperature of 140 0C comprared to the optimized SORC. Furthermore, the ZORC system is also proved to be an especially appealing choice at the temperature of 160 0C, as it results to relative exergetic improvement equal to 37 % compared to SORC, while at lower heat source temperatures, there are certain fluid combinations that maximize it’s efficiency compared to all the other configurations. By taking into considaration that there are only few scientific articles referred to double stage ORCs using zeotropic mixtures, and taking into account the fact that the big majority of the examined pure substances and mixtures hasn’t been introduced to the other configurations yet (especially under the certain circumstances), the present work aims to enrich the available knowledge related to the performace of the ORCs and finally to contribute to the understanding and also encourange the reader for further investigation.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false