Επιβλέπων: Δημήτριος Μισηρλής

Παρουσίαση με θέμα: "Επιβλέπων: Δημήτριος Μισηρλής"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Επιβλέπων: Δημήτριος Μισηρλής
ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Οργανικοί Kύκλοι Rankine με Ηλιακούς Συλλέκτες Πτυχιακή εργασία Λάζος Ευάγγελος Επιβλέπων: Δημήτριος Μισηρλής Σέρρες 2016

2 Α.Π.Ε και ηλιακή ενέργεια
Γιατί χρησιμοποιούμε τις Α.Π.Ε.: Αυξανόμενη χρήση ενέργειας Μείωση φυσικών πόρων Ρύπανση του περιβάλλοντος - τρύπα του όζοντος - φαινόμενο του θερμοκηπίου - όξινη βροχή - καταστροφή πολιτισμικών μνημείων πρόωροι θάνατοι * Τα ποσοστά των αέριων ρύπων αυξάνουν μετά την οικονομική κρίση Ηλιακή ενέργεια: Είναι προϊόν πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου στο ήλιο Μεταφέρεται υπό μορφή ακτινοβολίας Μόνο το 10% της προσπιπτόμενης ακτινοβολίας είναι αξιοποιήσιμο

3 Ηλιακοί συλλέκτες νερού
Μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ωφέλιμη θερμότητα και χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: Στατικού - Οι επίπεδοι συλλέκτες (Flat - Plate - Collectors), - Οι στατικοί σύνθετοι παραβολικοί συλλέκτες (Stationary Compound Parabolic Collectors) - Με σωλήνες κενού (Evacuated Tube Collectors) Συγκεντρωτικούς - Παραβολικοί συλλέκτες (Parabolic Trough Collector) - Γραμμικός ανακλαστήρας Fresnel (Linear Fresnel Reflector) - Παραβολικός δίσκος (Parabolic Dish) - Κεντρικός δέκτης (Central Receiver) Οι στατικοί συλλέκτες πιάνουν μικρότερες θερμοκρασίες από τους συγκεντρωτικούς

4 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες
Αποτελούν την συνήθη μορφή των στατικών συλλεκτών Αποτελείται από ένα διαφανές κάλυμμα στην πάνω πλευρά και ένα απορροφητικό μελανό στοιχείο από πίσω, ενώ στο ενδιάμεσο υπάρχουν σωλήνες οι οποίες διατεταγμένες κάθετα είτε σε στυλ σερπαντίνας Η παραγωγή τους και το κόστος της αγοράς τους είναι χαμηλό και μπορούν να απορροφούν και την ακτινοβολία διάχυσης (άμεση) αλλά και την έμμεση Τρόπος λειτουργίας Η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στην διάφανη επιφάνεια του συλλέκτη. Ένα μικρό μέρος αυτής σκεδάζεται ενώ το μεγαλύτερο μέρος αυτής διαπερνά το κάλυμμα και φτάνει στο απορροφητικό στοιχείο.

5 Συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες
Μπορούν να πιάσουν μεγάλες θερμοκρασίες, διότι έχουν μικρότερη επιφάνεια από την οποία μπορούν να χάσουν θερμότητα, ενώ το περίβλημα κενού που διαθέτει μειώνει τις απώλειες λόγω αγωγής και συναγωγής Με την πάροδο του χρόνου η επιφάνεια του ανακλαστήρα χάνει την ανακλαστικότητα του, άρα απαιτεί συχνή συντήρηση Οι θερμοκρασίες που προσδίδουν στο εργαζόμενο μέσο, αυτοί οι συλλέκτες είναι 50οC – 400οC στο ρευστό Σε ορισμένες εγκαταστάσεις απαιτείται κάποιο είδος οδήγησης ώστε ο συλλέκτης να μπορεί να ακολουθά την πορεία του ήλιου Τρόπος λειτουργίας Το παραβολικό ανακλαστικό φύλλο συγκεντρώνει την ηλιακή ακτινοβολία στο σημείο που περνά το σύστημα υψηλής θερμικής αγωγιμότητας σωληνώσεων μέσα στο οποίο περνά το νερό

6 Κύκλος Rankine Εναλλακτικοί κ. Rankine: Αναθέρμανση μετά την εκτόνωση
90% της παραγωγής ηλ. Ρεύματος. Διεργασίες του κύκλου Rankine: 1-2: Αδιαβατική συμπίεση 2-3: Ισοβαρής θέρμανση του νερού 3-4: Ισοβαρής ατμοποίηση του νερού 4-5: Ισοβαρής υπερθέρμανση του ατμού 5-6: Αδιαβατική εκτόνωση 6-1: Ισοβαρής συμπύκνωση του ατμού Εναλλακτικοί κ. Rankine: Αναθέρμανση μετά την εκτόνωση Με αποταμίευση θερμού ατμού (ενός μέρους του αποτονούμενου θερμού ατμού για την προθέρμανση του νερού που επρόκειτο να τροφοδοτήσει το κύκλωμα) Υπερκρίσιμος κ. Rankine

7 Οργανικός Κύκλος Rankine
Ένας O.R.C. σε υποκρίσιμη κατάσταση δεν υπερβαίνει τους 100οC και βρίσκει εφαρμογή για ισχύ από 1KW. Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί ένας οργανικός κύκλος Rankine είναι παρόμοιος με τον κλασικό κύκλο Πηγές ανάκτησης θερμότητας σε σύστημα ORC: Γεωθερμία (θερμοκρασία 100οC - 200οC ) Βιομάζα (πρέπει να έχει συμφέρουσα προμήθεια) Ενέργεια βιομηχανικών διεργασιών (MEK, Αεριοστρόβιλοι κ.α.) Ηλιακή ακτινοβολία (μετατροπή ηλιακής ακτινοβολίας με ισχύς έως και 10 ΜW)

8 Οργανικά ρευστά Τα οργανικά ρευστά έχουν την
Ιδιότητα να εξατμίζονται σε χαμηλές Θερμοκρασίες. Λόγοι επιλογής οργανικών ρευστών: Χαμηλό σημείο βρασμού Μικρή πίεση συμπύκνωσης Μικρός ειδικός όγκος με υψηλή λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης (καθορίζουν την αποδοτικότητα του συμπιεστή) Ρευστά που χρησιμοποιηθήκαν: Ισοβουτάνιο (R600 ή C4H10) έχει μεγάλη θερμ/τητα. Θέλει συμπιεστές μεγάλης επιφάνειας εκτοπίσματος και μικρή ποσότητα ρευστού Ισοπεντάνιο (C4H12) απομονώνεται από το πετρέλαιο και χρησιμοποιείται σε μίγματα Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι αέριο, γι’ αυτό δουλεύει σε υπερκρίσιμους κύκλους (SCROL)

9 Πρόγραμμα COCO Το COCO COFE είναι ένα ελεύθερο λογισμικό πρόγραμμα στο οποίο μπορεί να σχεδιαστεί (μελετηθεί) ένα σύστημα με χημικά ρευστά, πιέσεις, θερμοκρασίες, παραγωγή ή κατανάλωση έργου.

10 Πρότυπο μελέτης και στόχος της πτυχιακής
Η παρούσα πτυχιακή βασίστηκε στο παρακάτω σχέδιο από την μελέτη των Anna Bryszewska-Mazurek , Tymoteusz Świeboda & Wojciech Mazurek, (Performance Analysis of a Solar-Powered Organic Rankine Cycle Engine). Στόχος της πτυχιακής: Kαθαρή παραγόμενη ισχύ 241,3 KW σταθερά Νερό συλλεκτών 87οC σταθερά Πίεση 1ης αντλίας 1 bar σταθερά Θερμοκρασία συμπύκνωσης 15οC Αλλαγή των β.α. των εξαρτημάτων: - Εναλλάκτης 1 και 2 - Στρόβιλος - Αντλία 2 Αλλαγή πίεσης στην Αντλία 2 Υπολογισμός του θερμικού βαθμού απόδοσης των ρευστών ισοβουτάνιο, ισοπεντάνιο, διοξείδιο του άνθρακα

11 Σχεδιασμός της εγκατάστασης στο COCO
Σχεδίαση εγκατάστασης: Σ1 – Σ4 κύκλωμα νερού με ηλιακούς συλλέκτες (87οC και 1 bar σταθ.) Σ5 – Σ11 κύκλωμα ORC Το εργ. μέσο ανεβάζει πίεση από την Pump2, θερμαίνεται από τον Exchanger 2, ατμοποιείται από τον Exchanger 1 και εκτονώνεται στον Expander παράγοντας έργο. Τέλος δίνει θερμότητα στο κρύο Ρεύμα του Exchanger 2 και συμπυκνώνεται στο HeaterCooler 2. Ο κύκλος επαναλαμβάνεται με καθαρή παραγομένη ισχύ ~241,3KW (περίπου).

12 Τρόπος μελέτης των οργανικών ρευστών
Στην παρούσα πτυχιακή μελετηθήκαν τρία οργανικά ρευστά: 1) Isobutane (R600) 2) Isopentane (C4H12) 3) Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) Κάθε ένα από αυτά τέθηκε να λειτουργήσει στις εξής συνθήκες με καθαρή ισχύ 241,3KW: Σε εφαρμόσιμες τιμές, με βαθμό απόδοσης εξαρτημάτων: Pump2 – 75% Exchanger 1 και 2 – 90% Expander – 90% Σε ιδανικές τιμές, με βαθμό απόδοσης εξαρτημάτων 100% Σε δυσχερείς τιμές, με βαθμό Pump2 – 65% Exchanger 1 και 2 – 80% Expander – 80%

13 Isobutane (R600) Καθαρή παραγόμενη ισχύ: nExpander – nPump2 =
250011W – W = = ,82 W ~ 241.3KW Θερμικός βαθμός απόδοσης ORC: nORC = ( |WExpander| - |WPump2| ) / QExchanger1 nORC = ( – )W / W nORC = ~ 11.64% Στις δυσχερείς τιμές των β.α. των εξαρτημάτων το σύστημα λειτούργησε μόνο σε πίεση 5 bar και παρ. μάζας 11,97 kg/sec. =>nORC = ( – 7920,9)W / W => nORC = ~ 5.52% bar

14 Isopentane (C4H12) Μετά από δοκιμές, το σύστημα
μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε εφαρμόσιμες τιμές σε πίεση 3.3 bar και παροχή μάζας 5 kg/sec. Θερμικός βαθμός απόδοσης ORC: nORC = ( |WExpander| - |WPump2| ) / QExchanger1 nORC = ( – )W / W => nORC = ,8 / => nORC = ~ 2.29%

15 Διοξείδιο του άνθρακα (CO2)
To CO2 σε ατμοσφαιρικές συνθήκες βρίσκεται σε αέρια φάση. Γι’ αυτό η πίεση συμπυκνώσεως του σε θερμοκρασία 15οC τέθηκε στα 55 bar. Ενώ η ανώτερη πίεση ατμοποιήσεως του, στις εφαρμόσιμες τιμές, τέθηκε στα 100 bar (δηλαδή λειτουργεί σε υπερκρίσιμο κύκλο Rankine). * Στις δυσχερείς τιμές, με καθαρή ισχύ στα 241,3 KW, δεν μπόρεσε Να λειτουργήσει. bar bar

16 Σύγκριση Isobutane R600 και Διοξείδιο του άνθρακα CO2
Σε εφαρμόσιμες τιμές Διάγραμμα θερμικού βαθμού απόδοσης (%) συναρτήσει της πίεσης ατμοποιήσεως (bar) Σε ιδανικές τιμές Διάγραμμα θερμικού βαθμού απόδοσης (%) συναρτήσει της πίεσης ατμοποιήσεως (bar) bar bar

17 Συμπεράσματα Στην παρούσα πτυχιακή εργασία χρησιμοποιήθηκαν τρία ψυκτικά ρευστά και τελικά το πρώτο συμπέρασμα, είναι πως το ισοπεντάνιο δεν μπορεί να λειτουργήσει με καθαρή παραγόμενη ισχύ στα 241,3 KW. Διότι το ισοπεντάνιο συνήθως χρησιμοποιείται σε προσμίξεις ψυκτικών ρευστών. Το ισοβουτάνιο κατάφερε να λειτουργήσει στις δυσμενές συνθήκες μόνο σε πίεση 5 bar, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα αδυνατούσε να λειτουργήσει με καθαρή παραγόμενη ισχύ 241,3 KW. Το ισοβουτάνιο έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από το διοξείδιο του άνθρακα και στις εφαρμόσιμες αλλά και στις ιδανικές τιμές. Αυτό συμβαίνει διότι το διοξείδιο του άνθρακα λειτουργεί σε υπερκρίσιμες τιμές, οπότε η αντλία που ανεβάζει την πίεση του εργαζόμενου μέσου καταναλώνει μεγάλα ποσά ενέργειας. Η παροχή μάζας που απαιτείται όταν το εργαζόμενο μέσο που χρησιμοποιείται είναι το ισοβουτάνιο είναι λιγότερη από αυτή του διοξειδίου του άνθρακα. Και στο ισοβουτάνιο και στο διοξείδιο του άνθρακα όσο μικραίνει η πίεση ατμοποιήσεως τόσο αυξάνεται η παροχή μάζας (για να λειτουργήσει το σύστημα με καθαρή ισχύ 241,3 KW) και παράλληλα αυξάνεται η ενέργεια που καταναλώνει ο συμπιεστής

18 Βιβλιογραφία, Πηγές 1. 2. 3. UPHx6Bpvx7M/s1600/%CE%B7%CE%BB%CE%B9%CE%B1%CE%BA% CE%BF%CF%82_004.png 4. phpapp01/95/renewable-energy-course jpg?cb= 5. 6. phpapp01/95/renewable-energy-course jpg?cb= 7. ΜΕΛΕΤΗ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΜΕ ΠΥΡΓΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΑΘΕΡΙΝΟΛΑΚΚΟΥ (διπλωματική εργασία του Σαατσάκη Γ. Ελευθέριου, Μετσόβιο πολυτεχνείο τμήμα μηχανολόγων μηχανικών), 2012 8. AAABEk/NyRSXFrNxqs/s1600/05_600p.jpg 9. 10. Σημειώσεις «Ατμοστρόβιλοι – Ατμολέβητες» ( Κατσανεβάκης Αθανάσιος), 2010 11. Βιβλίο «Θερμοδυναμική» (Χασάπης Δημήτριος), 2012 12. Βιβλίο «Ψυκτικές Διατάξεις» (Μιχάλης Γρ. Βραχόπουλος), 2009 13. 14. 15. 16. (Ε. ΝτάβουΓ. ΚοσμαδάκηςΔ. Μανωλάκος,Γ. Παπαδάκης Τμήμα Αξιοποίησης Φυσικών Πόρων και Γεωργικής Μηχανικής, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών), 2015 17. Σχεδιασμός ολοκληρωμένου συστήματος ηλιακού συλλέκτη – Οργανικού κύκλου Rankine (ORC) (διπλωματική εργασία του Μαύρου Πασχαλιά, αριστοτέλειο πανεπιστήμιο, τμήμα μηχανολόγων μηχανικών), 2013 18. 19. Organic_Rankine_Cycle.pdf, 2000 20. Assessment _of_a_solarpowered_organic_Rankine_cycle_system_for_combined_heat ing_and_power_in_domestic_applications_J_Freeman.pdf (James Freeman, Klaus Hellgardt, Christos N. Markides), 2013 21. chemenghbk-ch02-physical-and-chemical-data.pdf (Διαγράμματα) 22. 23. 24. 25. (Suresh Baral and Kyung Chun Kim), 2015 26. Σημειώσεις «Περιβαλλοντική Τεχνολογία» (Γκεϊβανίδης Σάββας), 27. Βιβλίο «Εισαγωγή Στην Περιβαλλοντική Μηχανική» (Αθανάσιος Γ. Κούγκολος) 28. 29. 30. Διοξείδιο_του_άνθρακα #/media/File:Trockeneis.jpg 31. ttps://el.wikipedia.org/wiki/Διοξείδιο_του_άνθρακα#/media/File:%CE%94% 32. Σημειώσεις «Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας » ( Κατσανεβάκης Αθανάσιος), 2007