Παραμετρική Ανάλυση Οργανικού κύκλου Γεωθερμίας Πτυχιακή Εργασία Παπαγεωργίου Χρήστος Λίτσο Γιάννης Επιβλέπων Καθηγητής: Μισηρλής Δημήτριος Σέρρες 2017

Στόχοι Εργασίας Γεωθερμία και έννοιες Κατηγορίες Γεωθερμίας Γεωθερμία στην Ελλάδα Μοντελοποίηση οργανικού κύκλου Rankine σταθμού Chena/Alaska/USA Παραμετρική ανάλυση για διαφορετικά οργανικά ρευστά και χαμηλή πίεση λειτουργίας Παραμετρική ανάλυση για διαφορετικά οργανικά ρευστά και υψηλή πίεση λειτουργίας

Γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources): Γεωθερμική ενέργεια: Η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμφανίζεται με τη μορφή νερού ή ατμού Σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής Γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources): Οι ποσότητες της θερμικής ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη ανάμεσα στην επιφάνεια της γης, σε κάποιο προσβάσιμο βάθος και μπορεί να ανακτηθεί

Γεωθερμικά Πεδία: Υψηλής ενθαλπίας ( > 150°C) Χρήση κυρίως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Μέσης ενθαλπίας (100 °C – 150 °C) Χρήση κυρίως για θέρμανση και επεξεργασία αγροτικών προϊόντων Χαμηλής ενθαλπίας (25 °C – 100 °C) Χρήση κυρίως για θέρμανση-ψύξη χώρων, αγροτικές εφαρμογές

Ηλεκτροπαραγωγή (κύριες μέθοδοι) Κύκλος ξηρού ατμού (direct stream expansion) Το γεωθερμικό προϊόν οδηγείται απευθείας στον ατμοστρόβιλο

Κύκλος εκτόνωσης διφασικού ρευστού (flash condensing type) Το διφασικό μείγμα οδηγείται πρώτα σε διαχωριστή όπου διαχωρίζονται αέρια και υγρή φάση Το υγρό μέρος είτε επανεκτονώνεται ώστε να δώσει επιπλέον ατμό είτε επανεισάγεται στο γεωθερμικό ταμιευτήρα

Δυαδικός κύκλος ή κύκλος Rankine με οργανικό ρευστό (ORC) Αποτελείται από δύο κυκλώματα: Κύκλωμα θερμού νερού Κύκλωμα εργαζόμενου μέσου (οργανικού ρευστού) Το νερό μεταφέρει μέρος της θερμότητάς του στο εργαζόμενο μέσο μεταβάλλοντας τη φάση του, αυξάνοντας την ενθαλπία του και μετατρέποντάς το σε υπέρθερμο ατμό

Τα οργανικά ρευστά χαρακτηρίζονται σε 6 κλάσεις ασφαλείας χρήσης, με Α1 την κλάση χαμηλότερου κινδύνου και C2 την κλάση υψηλού κινδύνου

Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά οργανικών ρευστών: Κλάση ασφαλείας Επίδραση στο φαινόμενο του Θερμοκηπίου (Global Warming Potential GWP) Επίδραση στην καταστροφή της στοιβάδας του Όζοντος (Ozone Depletion Potential ODP) Ρευστό Κλάση GWP ODP R134a A1 1430 R22 1700 0.055 R12 10890 1000

Chena (Alaska/USA) Η πόλη διαθέτει ιαματικές πηγές που χρησιμοποιούνται κυρίως για ψυχαγωγικές δραστηριότητες

Μείωση κόστους ηλεκτρικής ενέργειας από 0.30 σε 0.05 $ ανά kWh Επιλέχθηκε οργανικός κύκλος Rankine λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Μείωση κόστους ηλεκτρικής ενέργειας από 0.30 σε 0.05 $ ανά kWh

Σχηματική αναπαράσταση του οργανικού κύκλου σταθμού Chena Εργαζόμενο μέσο R134a Καθαρή ισχύς σταθμού 210 kW Ηλεκτρική ισχύς εξόδου 250 kW Θερμικός βαθμός απόδοσης 8 %

Μοντέλο ORC στο cyclepad με R134a Ισχύς ατμοστροβίλου 355.9 kW Καθαρή ισχύς εξόδου 352.96 kW Θερμικός βαθμός απόδοσης 12.88 % Πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Θερμοκρασία πριν το στρόβιλο 73.33 οC Πίεση συμπυκνώσεως 439 kPa Θερμοκρασία συμπυκνώσεως 11.57 οC

Μοντέλο ORC στο cyclepad με R134a

Διάγραμμα T – s ORC στο cyclepad με R134a

Διάγραμμα P – V ORC στο cyclepad με R134a

Παραμετρική Ανάλυση οργανικού κύκλου ‘Α Μέρος Σταθερή ισχύς εξόδου ≈ 353 kW Αναπροσαρμογή της πίεσης συμπυκνώσεως ώστε η θερμοκρασία μετά το συμπυκνωτή να είναι 11.57 οC και ανάλυση του κύκλου για R22 και R12 Αναπροσαρμογή της παροχής μάζας για την κάθε ανάλυση ώστε η ισχύς εξόδου να διατηρείται σταθερή

‘Β Μέρος Σταθερή ισχύς εξόδου ≈ 353 kW Aνάλυση του κύκλου για R134a, R22 και R12 με μεταβολή της πίεσης πριν το στρόβιλο για το εκάστοτε εργαζόμενο μέσο Θερμοκρασία μετά το συμπυκνωτή 11.57 οC Αναπροσαρμογή της παροχής μάζας για την κάθε ανάλυση ώστε η ισχύς εξόδου να διατηρείται σταθερή

Αποτελέσματα ‘Α Μέρους Για καθαρή ισχύ εξόδου ≈ 353 kW R134a: Βαθμός Απόδοσης 12.88 % Παροχή μάζας 12 kg/sec, Πίεση συμπυκνώσεως 439 kPa R22: Βαθμός Απόδοσης 9.79 % Παροχή μάζας 15.61 kg/sec, Πίεση συμπυκνώσεως 714.7 kPa R12: Βαθμός Απόδοσης 14.15 % Μέγιστος Παροχή μάζας 14.54 kg/sec, Πίεση συμπυκνώσεως 444.1 kPa

Αποτελέσματα ‘Β Μέρους Για καθαρή ισχύ εξόδου ≈ 353 kW και R134a Πίεση πριν το στρόβιλο 900 kPa Βαθμός Απόδοσης 7.15 % Παροχή μάζας 20.42 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1300 kPa Βαθμός Απόδοσης 10.65 % Παροχή μάζας 14.06 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Βαθμός Απόδοσης 12.88 % Μέγιστος Παροχή μάζας 12 kg/sec

Για καθαρή ισχύ εξόδου ≈ 353 kW και R22 Πίεση πριν το στρόβιλο 1000 kPa Βαθμός Απόδοσης 3.96 % Παροχή μάζας 37.23 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1400 kPa Βαθμός Απόδοσης 7.81 % Παροχή μάζας 19.24 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Βαθμός Απόδοσης 9.79 % Μέγιστος Παροχή μάζας 15.61 kg/sec

Για καθαρή ισχύ εξόδου ≈ 353 kW και R12 Πίεση πριν το στρόβιλο 1000 kPa Βαθμός Απόδοσης 9.03 % Παροχή μάζας 21.57 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1400 kPa Βαθμός Απόδοσης 12.31 % Παροχή μάζας 16.3 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Βαθμός Απόδοσης 14.15 % Μέγιστος Παροχή μάζας 14.54 kg/sec

Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης, για σταθερή καθαρή ισχύ εξόδου ≈ 353 kW επιτυγχάνεται για τα ακόλουθα χαρακτηριστικά λειτουργίας: Εργαζόμενο μέσο R12 Παροχή μάζας 14.54 kg/sec Πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Πίεση συμπυκνώσεως 439 kPa Βαθμός απόδοσης 14.15 %

Διάγραμμα T-s ORC στο cyclepad με R12 και πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Μέγιστος βαθμός απόδοσης (14.15 %)

Διάγραμμα P-V ORC στο cyclepad με R12 και πίεση πριν το στρόβιλο 1695 kPa Μέγιστος βαθμός απόδοσης (14.15 %)

Ευχαριστούμε για το χρόνο σας