Μοντελοποίηση συστήματος Οργανικού Κύκλου Rankine συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (CHP ORC) που τροφοδοτείται με επεξεργασμένη βιομάζα. Κύκλοι, εργαζόμενα μέσα, θερμικά φορτία

Κλαδίσιος, Παναγιώτης; Kladisios, Panagiotis

dc.contributor.author	Κλαδίσιος, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Kladisios, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2022-10-13T08:12:02Z
dc.date.available	2022-10-13T08:12:02Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55907
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23605
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Οργανικός Κύκλος Rankine	el
dc.subject	Συμπαραγωγή Θερμότητας και Ηλεκτρισμού	el
dc.subject	Γενετικός Αλγόριθμος	el
dc.subject	Παραμετρική ανάλυση	el
dc.subject	Πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Organic Rankine Cycle	en
dc.subject	Combined Heat and Power	en
dc.subject	Genetic Algorithm	en
dc.subject	Parametric analysis	en
dc.subject	Multi-objective optimization	en
dc.title	Μοντελοποίηση συστήματος Οργανικού Κύκλου Rankine συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (CHP ORC) που τροφοδοτείται με επεξεργασμένη βιομάζα. Κύκλοι, εργαζόμενα μέσα, θερμικά φορτία	el
dc.contributor.department	Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Θερμικών Διεργασιών.	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classification	Πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-06-15
heal.abstract	Ο Οργανικός Κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle, ORC) αποτελεί μια από τις κυριότερες τεχνολογίες για την εκμετάλλευση θερμικών πηγών χαμηλής θερμοκρασιακής στάθμης (κάτω από 300 (oC). Η αρχή λειτουργίας είναι όμοια με αυτήν του συμβατικού κύκλου νερού-ατμού Rankine. Η κύρια διαφορά τους είναι το εργαζόμενο μέσο. Αντί για νερό, ο κύκλος ORC χρησιμοποιεί οργανικά εργαζόμενα μέσα, όπως ψυκτικά και υδρογονάνθρακες. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μοντελοποίηση, η παραμετρική μελέτη και η πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση ενός συστήματος ORC συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού 50 kWel (micro-CHP ORC), το οποίο τροφοδοτείται με βιομάζα. Στο κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται η εισαγωγή στο ενεργειακό πρόβλημα και γίνεται αναφορά στις ενεργειακές πολιτικές για την αντιμετώπισή του. Οι δύο βασικοί άξονες είναι η αύξηση της απόδοσης των συμβατικών εγκαταστάσεων με την εφαρμογή συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού και η αύξηση του μεριδίου συμμετοχής των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Το κεφάλαιο 2 αφορά τη βιομάζα και τις δυνατότητες της ως ενεργειακή πηγή. Εκτός από τις ιδιότητες, τα πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες της, πραγματοποιείται μια σύντομη περιγραφή των βασικών βιοχημικών (ζύμωση και αναερόβια χώνευση) και θερμοχημικών μεθόδων (καύση, αεριοποίηση και πυρόλυση) επεξεργασίας της. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στις υδροθερμικές μεθόδους (υδροθερμική ανθρακοποίηση, ρευστοποίηση και αεριοποίηση). Οι μέθοδοι αυτές παρουσιάζουν ενδιαφέρον, καθώς πραγματοποιούνται σε υδάτινο περιβάλλον. Έτσι, η προκαταρκτική ενεργοβόρος ξήρανση είναι περιττή. Το κεφάλαιο κλείνει με τις μελλοντικές προοπτικές της βιομάζας. Το θέμα του κεφαλαίου 3 είναι η συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού (Combined Heat and Power, CHP). Την περιγραφή των πλεονεκτημάτων ακολουθεί η ανάλυση των κυριότερων τεχνολογιών CHP (αεριοστρόβιλος, ατμοστρόβιλος, συνδυασμένος κύκλος αεριοστροβίλου, μηχανή εσωτερικής καύσης, θερμοφωτοβολταϊκά, μηχανή Stirling, κυψέλες καυσίμου και ORC) και οι σημαντικότεροι δείκτες επιδόσεων. Επίσης, περιγράφονται οι προκλήσεις και οι μελλοντικές προοπτικές της τεχνολογίας. Το κεφάλαιο 4 ειναι αφιερωμένο εξ’ ολοκλήρου στα συστήματα ORC. Γίνεται σύγκριση με το συμβατικό κύκλο νερού-ατμού Rankine και παρατίθενται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα. Αναφέρονται οι βασικοί κύκλοι ORC και οι βασικές διεργασίες που πραγματοποιούνται. Επίσης, γίνεται αναφορά στις εκτονωτικές διατάξεις, στις αντλίες και στους εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται. Επιλέγονται οι κατάλληλες τεχνολογίες παρέχοντας τη σχετική αιτιολόγηση. Διακρίνονται τα βασικά συστήματα ORC με βάση την πηγή θερμότητας (ηλιακή ενέργεια, γεωθερμική ενέργεια, βιομάζα, ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας) και γίνεται σύντομη περιγραφή τους. Ξεχωριστή αναφορά γίνεται στα συστήματα ORC μικροσυμπαραγωγής (microCHP-ORC). Ακολουθεί η επιλογή των εργαζόμενων μέσων. Σύμφωνα με τα κριτήρια που τίθενται επιλέγονται το R124, το ισοβουτάνιο, το R245fa, το ισοπεντάνιο και το κυκλοπεντάνιο και γίνεται σύντομη παρουσίαση των ιδιοτήτων τους. Ο υπολογισμός των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων πραγματοποιείται με τη βιβλιοθήκη CoolProp. Στο κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται το θερμοδυναμικό μοντέλο σταθερής κατάστασης του συστήματος και αναφέρονται οι παραδοχές πάνω στις οποίες στηρίζεται. Εξηγείται η διαδικασία εύρεσης των pinch point και του υπολογισμού της απαιτούμενης επιφάνειας των εναλλακτών. Περιγράφεται η βασική γεωμετρία των πλακοειδών εναλλακτών και οι μέθοδοι υπολογισμού του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας για κάθε φαινόμενο μεταφοράς. Αναλύονται οι περιορισμοί της λειτουργίας των κύκλων ORC, οι οποίοι θα πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη σύνταξη των προγραμμάτων. Στα πλαισια της παραμετρικής μελέτης επιλέγονται συγκεκριμένες μεταβλητές και παρατίθενται οι συνθήκες λειτουργίας για τον υποκρίσιμο και τον υπερκρίσιμο κύκλο. Ακολουθεί η αναφορά στη θεωρία του γενετικού αλγόριθμου, η ανάλυση της εκδοχής που ακολουθείται και η επιλογή των παραμέτρων ελέγχου. Τέλος, γίνεται έλεγχος της ακρίβειας υπολογισμού των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων με αντίστοιχη μελέτη που χρησιμοποιεί το REFPROP. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης και της πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης. Ακολουθεί αναλυτικός σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Στα πλαίσια της παραμετρικής μελέτης εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας εισόδου στον εκτονωτή, των βαθμών υπερθέρμανσης, της πίεσης ατμοποίησης, της παρουσίας εσωτερικού εναλλάκτη και της ελάχιστης θερμοκρασιακής διαφοράς στα pinch point των εναλλακτών στις επιδόσεις του υποκρίσιμου και του υπερκρίσιμου συστήματος. Η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου αναδεικνύεται ως η δραστικότερη μεταβλητή απόφασης. Σημαντικό όφελος προκύπτει και από την εφαρμογή εσωτερικής αναθέρμανσης, ειδικά στις υψηλότερες θερμοκρασίες ατμοποίησης. Επίσης, παρατηρείται ότι τα εργαζόμενα μέσα με υψηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία παρουσιάζουν μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης. Οι μεταβλητές που εξετάζονται στην παραμετρική ανάλυση χρησιμοποιούνται ως μεταβλητές απόφασης της πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης. Ως συναρτήσεις στόχοι επιλέγονται ο θερμικός, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης και η συνολική επιφάνεια. Η βελτιστοποίηση του υποκρίσιμου και του υπερκρίσιμου κύκλου αναδεικνύει το κυκλοπεντάνιο στον υποκρίσιμο κύκλο και το ισοπεντάνιο στον υπερκρίσιμο ως τα μέσα με τις ανώτερες επιδόσεις. Επίσης, διαπιστώνεται ότι υπερκρίσιμες συνθηκές οδηγούν σε συγκριτικά ανώτερες επιδόσεις για όλα τα εργαζόμενα μέσα. Με την αξιοποίηση της θερμότητας, που διαφορετικά θα απέρριπτε ο συμπυκνωτής, ο ολικός βαθμός απόδοσης του συστήματος μπορεί να ξεπεράσει το 90 %, εξοικονομώντας παράλληλα 20-30 % καύσιμο. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται σχολιασμός, προτάσεις για μελλοντική έρευνα και ανασκόπηση της συνεισφοράς της παρούσας εργασίας.	el
heal.sponsor	Ειδικός Λογαριασμός Κονδυλίων Έρευνας	el
heal.advisorName	Στέγγου-Σαγιά, Αθηνά
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη
heal.committeeMemberName	Γιακουμής, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	582
heal.fullTextAvailability	false