Μοντελοποίηση και προσομοίωση Οργανικού Kύκλου Rankine για την εκμετάλλευση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας.

Αντίοχου, Γεωργία; Antiochou, Georgia

dc.contributor.author	Αντίοχου, Γεωργία	el
dc.contributor.author	Antiochou, Georgia	en
dc.date.accessioned	2024-04-23T08:46:08Z
dc.date.available	2024-04-23T08:46:08Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59252
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26948
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	REFPROP	en
dc.subject	Υπερκρίσιμες συνθήκες	el
dc.subject	Μίγματα οργανικών ουσιών	el
dc.subject	Γεωθερμικό ρευστό	el
dc.title	Μοντελοποίηση και προσομοίωση Οργανικού Kύκλου Rankine για την εκμετάλλευση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας.	el
dc.title	Modelling and simulation of Organic Rankine Cycle for the exploitation of low-temperature heat.	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική μοντελοποίηση	el
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-09-29
heal.abstract	Στην σύγχρονη εποχή η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση έχει φτάσει σε πρωτόγνωρα επίπεδα. Οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι που απορρέουν από τη χρήση ορυκτών καυσίμων και η ανάγκη συνετής αξιοποίησης των διαθέσιμων αποθεμάτων των συμβατικών πηγών ενέργειας επιβάλλουν τη μελέτη και ανάπτυξη τεχνολογιών εκμετάλλευσης ενέργειας χαμηλής ποιότητας. Μία τέτοια τεχνολογία είναι και τα οργανικά κύκλα Rankine (ORC), που αποτελούν μία μέθοδο μετατροπής θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η διαφορά τους από τα συμβατικά είναι ότι λειτουργούν με οργανικά ρευστά αντί νερού, που εξατμίζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η απαιτούμενη θερμότητα για την εξάτμιση παρέχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή, η γεωθερμική και η ενέργεια της βιομάζας, ή από θερμικά υπόλοιπα βιομηχανικών μονάδων και μηχανών εσωτερικής καύσης, με αποτέλεσμα τη μείωση των επιβλαβών εκπομπών που προκύπτουν από τη χρήση συμβατικών καυσίμων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μοντελοποίηση του οργανικού κύκλου Rankine και η προσομοίωσή του στο λογισμικό Aspen HYSYS, χρησιμοποιώντας ως πηγή ενέργειας, θερμότητα σε διάφορα θερμοκρασιακά επίπεδα, από 120 ως και 450⁰C. Ως εργαζόμενα μέσα, επιλέγονται τα ρευστά ισοβουτάνιο, ισοπεντάνιο, τολουόλιο, R152a, R134a, R161, R1234yf R1233zd(e) και η μεθανόλη. Η πλειοψηφία των ουσιών αυτών συνδυάζουν εύκολη διαθεσιμότητα με σχετική ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλον. Για τη θερμοδυναμική μοντελοποίηση επιλέγεται το μοντέλο REFPROP και η καταστατική εξίσωση Peng-Robinson (PR), για την οποία εκτιμώνται οι τιμές της παραμέτρου διόρθωσης του όγκου της υγρής φάσης μέσα από προσαρμογή σε αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Η αξιολόγηση των μοντέλων γίνεται μέσω των αποκλίσεων των προβλέψεών τους από πειραματικές τιμές τάσης ατμών, όγκου κορεσμού, θερμοχωρητικότητας κορεσμού και ενθαλπίας εξάτμισης, που ανακτώνται από τη βάση δεδομένων του NIST. Τα σχετικά σφάλματα του REFPROP είναι μικρότερα από 2,5%, ενώ το μέγιστο της PR αγγίζει το 12%, υποδεικνύοντας ότι καταλληλότερο είναι το πρώτο μοντέλο. Για κάθε εργαζόμενο μέσο επιλέγονται οι λειτουργικές συνθήκες που μεγιστοποιούν το θερμικό και τον ολικό εξεργειακό βαθμό απόδοσης του κύκλου για παραγωγή 100 kW ισχύος στον στρόβιλο, εξάτμιση από γεωθερμικό ρευστό στους 200⁰C και συμπύκνωση από νερό ψύξης στους 20⁰C. Τα ξηρά ρευστά, δηλαδή οι υδρογονάνθρακες, και τα ισεντροπικά, οι υδροφθοροολεφίνες, δεν απαιτούν υπερθέρμανση στον εξατμιστήρα. Το ισοπεντάνιο επιτυγχάνει υψηλή θερμική απόδοση, ικανοποιητική εξεργειακή, χαμηλή μαζική παροχή και μικρή απαίτηση νερού ψύξης. Υψηλότερη εξεργειακή απόδοση αλλά και διπλάσια παροχή σημειώνεται με το R1233zd(e), ενώ εξεργειακά προηγείται το ισοβουτάνιο, που έχει τη δεύτερη ελάχιστη μαζική παροχή και τον τρίτο μέγιστο θερμικό βαθμό απόδοσης. Ελάχιστες αποδόσεις και μέγιστες παροχές έχουν τα R1234yf και R134a, ενώ η δημιουργία κενού στον συμπυκνωτήρα καθιστά το τολουόλιο και τη μεθανόλη πολύ καλές επιλογές ρευστών, με μοναδικό μειονέκτημα τις μέτριες εξεργειακές αποδόσεις. Η χρήση transcritical συνθηκών οδηγεί σε αυξημένες τιμές των αποδόσεων κατά περίπου 12%, αλλά και μειωμένες μαζικές παροχές, κατά 15%. Οι καθαρά υπερκρίσιμες συνθήκες επιφέρουν αποδόσεις χαμηλότερες από 5%, συνεπώς δεν μελετώνται περαιτέρω. Τα αποτελέσματα των δύο θερμοδυναμικών μοντέλων είναι πολύ κοντινά, επομένως οι υπόλοιπες προσομοιώσεις πραγματοποιούνται μόνο με το REFPROP. Η λειτουργία με transcritical συνθήκες απαιτεί την αξιοποίηση θερμότητας υψηλότερης θερμοκρασίας. Μελετώνται, λοιπόν, εναλλακτικές πηγές στους 120, 150, 250⁰C για το γεωθερμικό ρευστό και στους 300, 400, 450⁰C για διαθέσιμα καυσαέρια. Τα ρευστά χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, δηλαδή το R1234yf, οι HFCs και το ισοβουτάνιο, συνδυάζονται αποδοτικότερα με πηγές στους 150-200⁰C. Το ισοπεντάνιο αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή εργαζόμενου μέσου με πηγές θερμότητας θερμοκρασίας στο εύρος 120-300⁰C και συνδυάζεται βέλτιστα με τους 250⁰C, όπως και το R1233zd(e), ενώ για θερμότερες πηγές προτιμάται η μεθανόλη, που, μαζί με το τολουόλιο, απαιτούν θερμότητα τουλάχιστον στους 400⁰C. Μελετώνται ως εργαζόμενα μέσα και μίγματα, που περιέχουν τα δύο αλκάνια, τις δύο υδροφθοροολεφίνες, ισοπεντάνιο και R134a και ισοβουτάνιο και R1234yf. Τα ζεοτροπικά μίγματα αναδεικνύονται πιο επωφελή από εξεργειακή σκοπιά σε σχέση με τα καθαρά ρευστά, με τη μαζική τους παροχή να είναι χαμηλότερη και την ενεργειακή απόδοση υψηλότερη από του πτητικότερου συστατικού τους, ενώ το αζεοτροπικό μίγμα R1234yf-ισοβουτανίου δεν επιφέρει κάποια βελτίωση. Στο απλό κύκλο προστίθεται ένας επιπλέον εναλλάκτης θερμότητας, που χρησιμοποιείται είτε για εσωτερική ανάκτηση είτε για προθέρμανση από την πηγή. Η πρώτη διάταξη επιφέρει σημαντικές μειώσεις της μαζικής παροχής του νερό ψύξης, περί του 17,5%, και ικανοποιητική αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης, γύρω στο 20%. Η δεύτερη οδηγεί σε σημαντική αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, υψηλότερη από 40%, με ελαφριά αύξηση των μαζικών παροχών. Μεγίστης σημασίας αναδεικνύεται και η επιλογή της θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας, με τη βέλτιστη πηγή να ενισχύει σημαντικά τα αποτελέσματα στην πρώτη διάταξη και τη μείωση της θερμοκρασίας της παρεχόμενης θερμότητας να μειώνει τα ποσοστά βελτίωσης στη δεύτερη παραλλαγή του κύκλου σε σχέση με το απλό σύστημα.	el
heal.abstract	Nowadays, global energy consumption has reached unprecedented levels. The environmental risks emerging from the use of fossil fuels and the need for prudent utilization of the available reserves of conventional energy sources make it necessary to study and develop technologies which exploit low quality energy. One such technology is Organic Rankine Cycles (ORC), which constitute a method of converting low temperature heat into electricity. Its difference from the conventional steam cycle is that it works with organic fluids instead of water, which evaporate at lower temperatures. The required heat for vaporization is supplied by renewable energy sources such as solar, geothermal and biomass energy, or by waste heat from industrial processes and internal combustion engines, resulting in a reduction in harmful emissions from the combustion of conventional fossil fuels. This work is focused on modeling and simulating the organic Rankine cycle in Aspen HYSYS software, using as energy source heat at various temperature levels ranging from 120 to 450⁰C. Isobutane, isopentane, toluene, R152a, R134a, R161, R1234yf R1233zd(e) and methanol are selected as working fluids. The majority of these substances combine availability with relative safety and environmental friendliness. The modeling of the system is carried out via REFPROP model and the Peng-Robinson equation of state (PR), for which values of the volume translation parameter are estimated through fitting to corresponding experimental data. The models are evaluated through the deviation of their predictions from experimental values of vapor pressure, saturated volume, saturated heat capacity and enthalpy of vaporization retrieved from the NIST database. Relative errors of REFPROR are less than 2,5%, while the maximum of PR reaches 12%, indicating that the former model is more suitable. For each working fluid, the operating conditions that maximize the thermal and total exergy efficiency are chosen for the production of 100 kW of power in the turbine, vaporization by geothermal fluid at 200⁰C and condensation by cooling water at 20⁰C. Dry fluids, i.e. hydrocarbons, and isentropic fluids, hydrofluoroolefins, do not require superheating in the evaporator. Isopentane leads to high thermal efficiency, satisfactory exergy efficiency, low mass flow rate and low cooling water requirement. Higher exergy efficiency, but also twice the mass flow rate is obtained when using R1233zd(e), while isobutane attains the maximum exergy efficiency along with the second lowest flow rate and the third highest thermal efficiency. R1234yf and R134a lead to the lowest efficiencies and the highest mass flow rates, while the use of subatmospheric pressure in the condenser makes toluene and methanol very good options, with the only drawback of giving moderate exergy efficiencies. The use of transcritical conditions leads to efficiency values increased by approximately 12%, combined with mass flow rates reduced by 15%. Supercritical conditions lead to efficiencies lower than 5%, therefore they are not investigated any further. The two models provide very close results, so only REFPROP is used in the remaining simulations. Transcritical conditions require the exploitation of higher temperature heat, therefore alternative sources are studied at 120, 150, 250⁰C for the geothermal fluid and at 300, 400, 450⁰C for available waste heat. Low critical temperature fluids, ie R1234yf, HFCs and isobutane, are more efficiently combined with sources at 150-200⁰C. Isopentane is the best choice when exploiting heat in the temperature range of 120-300 ⁰C and is evaporated optimally by heat at 250⁰C, along with R1233zd(e). For higher temperatures methanol is the best choice, which, together with toluene, require heat at least at 400⁰C. Mixtures are also studied as working fluids, containing the two alkanes, the two hydrofluoroolefins, isopentane and R134a and isobutane and R1234yf. Zeotropic mixtures are more beneficial than pure substances from an exergy perspective, having lower mass flow rate and higher thermal efficiency compared to their most volatile component, while the azeotropic mixture of R1234yf-isobutane does not bring about any improvement. An additional heat exchanger is added to the basic cycle, used either for internal heat recovery or for preheating by the heat source. The first configuration leads to significant reduction of the cooling water mass flow rate, around 17,5%, and to a satisfactory increase in the thermal efficiency, around 20%. The second arrangement leads to a significant increase in energy efficiency, over 40%, along with a slight increase in mass flow rates. The choice of the temperature of the heat source is also of utmost importance, with the optimal one in the first architecture significantly enhancing the results and the lower one in the second arrangement reducing the improvement rates compared to the basic ORC.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Παππά, Γεωργία	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	212 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false