Δημιουργία Υποδομής για την Πρόλεξη Ροής σε Στροβιλομηχανές Κύλισης χρησιμοποιούμενες σε Υπερκρίσιμους Οργανικούς Κύκλους Rankine.

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη θερμοδυναμική ανάλυση και βελτιστοποίηση μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας η οποία λειτουργεί σύμφωνα με τον υπερκρίσιμο οργανικό κύκλο Rankine (ORC) και την περαιτέρω «εμβάθυνση» στη λειτουργία της στροβιλομηχανής κύλισης (Scroll), που χρησιμοποιείται σε αυτήν. Η εμβάθυνση φτάνει ένα βήμα πριν την πρόλεξη των χρονικά μη-μόνιμων πεδίων ροής μέσα στη μηχανή κύλισης με λογισμικό Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Η πλήρης αναλυτική περιγραφή της γεωμετρίας, της κίνησής τους, των χρονικά μεταβαλλόμενων σημείων επαφής τους αλλά και η διαδικασία γένεσης μη-δομημένου πλέγματος αποτελούν βασικά στοιχεία της παρούσας εργασίας. Στην πρώτη φάση της εργασίας, πραγματοποιείται η θερμοδυναμική ανάλυση κάθε συνιστώσας της εγκατάστασης (συμπιεστής, ατμοποιητής, στρόβιλος, συμπυκνωτής) με σκοπό τον υπολογισμό του ολικού βαθμού απόδοσής της. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση μιας τυπικής τέτοιας διάταξης με χρήση εξελικτικών αλγορίθμων, με σκοπό την αύξηση της απόδοσής της και τη μείωση του κόστους. Στη δεύτερη φάση της εργασίας, αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο περιγραφής της γεωμετρίας του στροβίλου Scroll. Αποδεικνύονται όλες οι σχέσεις που περιγράφουν τη γεωμετρία της μηχανής και προτείνεται ο τρόπος παραμετροποίησής της για χρήση κατά τη βελτιστοποίηση μορφής. Στη συνέχεια, εντοπίζονται τα χωρία που σχηματίζονται κατά τη λειτουργία του Scroll και είναι υπεύθυνα για την αποτόνωση του ρευστού και την παραγωγή έργου. Εκτελείται η απαραίτητη γεωμετρική επεξεργασία τους και επιχειρείται γένεση μη-δομημένων πλεγμάτων σε αυτά. Επιπροσθέτως, δίνεται έμφαση στην παραμόρφωση, με τη μέθοδο των στρεπτικών ελατηρίων, του δημιουργηθέντος πλέγματος κατά τη λειτουργία της μηχανής και αναλύονται διάφορες τεχνικές για τη βελτίωση της ποιότητάς του. Προγραμματίζεται λογισμικό ικανό να εκτελεί την παραπάνω μοντελοποίηση και το οποίο οδηγεί στα τελικά χρονικά μεταβαλλόμενα πλέγματα. Τέλος, πιστοποιείται έμμεσα η ορθότητα των παραπάνω τεχνικών, καθώς εφαρμόζονται στην περίπτωση ενός γεωμετρικά απλούστερου χρονικά μεταβαλλόμενου πεδίου ροής, με αποτέλεσμα την επιτυχή αριθμητική επίλυση των εξισώσεων συνεκτικής ροής σε αυτό. Εκτιμάται ότι, με την ολοκλήρωση της εργασίας αυτής έχει πλέον ανοίξει ο δρόμος για την ανάλυση των μηχανών κύλισης με χρήση κωδίκων CFD, η οποία έτσι κι αλλιώς είναι ιδιαίτερα σπάνια στη βιβλιογραφία.

This diploma thesis is concerned with the thermodynamic analysis and optimization of a power production system, which operates according to the Supercritical Organic Rankine Cycle. An important component of the ORC installation is Scroll expander, the shape and operation of which is thoroughly scrutinized. This diploma thesis goes up to a step before employing a CFD code for the flow prediction in the Scroll expander; it includes the analytical description of the Scroll geometry, its motion, the time-varying contact points of the two spirals and, of course, the generation of unstructured grid for the flow simulation.

In the first phase of this work, the thermodynamical analysis of all components (compressor, evaporator, expander, condenser) is presented and software to compute its total efficiency is programmed. The design-optimization of such a device is performed based on Evolutionary Algorithms. The optimization targets are maximum efficiency and minimum cost.

In the second phase of this work, the mathematical model, of the Scroll geometry, is developed. The equations describing its geometry are presented, along with proofs whenever this is necessary, and the geometry parameterization for use in the corresponding shape optimization is provided. The domains created during Scroll’s functioning are identified; these are responsible for the expansion of the working fluid and the energy production. Additionally, emphasis was laid to the deformation, via the torsional spring method, of the firstly generated grid and different techniques are analyzed, for improving its quality. Software for the above tasks was programmed and used.

Finally, a demonstration of the whole modeling in a simple case of a shape varying enclosure is performed, using in-house CFD codes for viscous flows. The final outcome of this diploma thesis is, in fact, a prerequisite for the CFD analysis of the Scroll expander