Βελτιστοποίηση κύκλου kalina

Abstract

The objective of the dissertation is the thermodynamic analysis and the optimization of the Kalina cycle with respect to its performance for several applications. The Kalina cycle is a further development of the Rankine cycle. It uses a binary fluid, such as ammonia-water instead of one fluid as a working medium. The mixture composition varies throughout the cycle. The increased efficiency compared to the Rankine cycle is due to the close temperature match between the cycle heat acceptance and the source heat availability as well as to the high level of recuperation. In the present thesis by means of a specially developed numerical model, the thermodynamic representation of the Kalina cycle in temperature-entropy and temperature-enthalpy diagrams (reduced to 1kg vapour solution expanded in the turbine) for several applications has been achieved, sections of the cycle have been identified that can be optimized and finally new cycles have been proposed with respect to the maximum efficiency or the power concentration. Kalina cycle-based configurations have been developed, adjusted to the respective temperature field of the heat source and parametrically evaluated in order to find the range of the functional parameters resulting in maximum efficiency. Firstly, the application of the Kalina cycle to low temperature heat sources has been examined for two different cases: The first case refers to the exploitation of low temperature fields of 80-140 οC which are usually applied to geothermal plants. Two new configurations have been proposed using a counter-current absorber and a rectificator-dephlegmator device at the exit of the steam generator which results in an increase of the thermal efficiency . The second case refers to an innovative hybrid Kalina cycle which uses the heat gained through solar flat collectors as a main heat source (90-95% of the total energy input) as well as an additional heat source of 130 oC). Secondly, the application of the Kalina cycle in medium to high temperature heat sources (up to 500 oC) has been examined. The function of the “thermal compressor” has been thoroughly analyzed. A parametric analysis has been conducted and those factors have been identified which influence its performance. For all cases numerical correlations have been developed which link the operational parameters of each cycle with the achieved efficiency and the power output for optimum operation. In addition, an innovative Kalina cycle has been introduced which uses a LiBr-H2O mixture as a working solution. The cycle has been thermodynamically analyzed, represented in equivalent T-h and T-s diagrams and parametrically evaluated with respect to optimum performance. A comparative evaluation has been conducted between the organic Rankine Cycle (ORC) and the Kalina cycle for low temperature applications highlighting the superiority of the Kalina cycle regarding thermal efficiency and concentrated power.

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς και η βελτιστοποίηση του θερμοδυναμικού κύκλου Kalina σε διάφορες εφαρμογές. Ο θερμοδυναμικός κύκλος Kalina αποτελεί εξέλιξη του κύκλου Rankine. Χρησιμοποιεί ως εργαζόμενο μέσο μίγμα αμμωνίας-νερού αντί υδρατμού με υψηλό ποσοστό ανάκτησης θερμότητας και έτσι επιτυγχάνεται καλύτερος βαθμός απόδοσης. Στα πλαίσια της παρούσης εργασίας επετεύχθη η θερμοδυναμική παράσταση του κύκλου σε διαγράμματα θερμοκρασίας-εντροπίας και θερμοκρασίας-ενθαλπίας (ανηγμένα σε 1 kg ατμού), προσδιορίστηκαν τα μέρη του κύκλου που χρήζουν βελτίωσης και τελικά προτάθηκαν κύκλοι με κριτήριο τον βαθμό απόδοσης ή την συγκέντρωση ισχύος. Αναπτύχθηκαν διατάξεις κύκλου Kalina προσαρμοσμένες στο εκάστοτε θερμοκρασιακό πεδίο της πηγής θέρμανσης και μελετήθηκαν παραμετρικά με σκοπό την εύρεση της περιοχής λειτουργίας όπου μεγιστοποιείται η απόδοσή τους. Καταρχήν εξετάστηκε η εφαρμογή του κύκλου Kalina σε πεδία χαμηλών θερμοκρασιών για δύο διαφορετικές περιπτώσεις: α) για εκμετάλλευση πεδίων θερμοκρασιών της τάξης των 80-140 οC όπως απαντώνται σε μονάδες εκμετάλλευσης γεωθερμικών πεδίων ήπιας ενθαλπίας. Προτάθηκαν δύο νέες διατάξεις του κύκλου που αφορούσαν στην χρήση διατάξεων απορροφητή αντιρροής (αντί του ομορροής) ενισχυτή-αναβελτιωτή στην έξοδο της ατμογεννήτριας οι οποίες επιφέρουν βελτίωση στα λειτουργικά χαρακτηριστικά και στην απόδοση της μονάδας. β) για εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μέσω μιας καινοτόμας υβριδικής διάταξης κύκλου Kalina η οποία χρησιμοποιεί τη θερμότητα επίπεδων ηλιακών συλλεκτών για την κάλυψη ποσοστού 90-95% της συνολικά απαιτούμενης θερμικής ενέργειας όπως επίσης και μια βοηθητική πηγή θερμοκρασίας 130 οC. Στη συνέχεια εξετάσθηκε η εφαρμογή του κύκλου Kalina σε πεδία μέσων και υψηλών θερμοκρασιών (έως 550 oC). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάλυση της λειτουργίας του ¨θερμοσυμπιεστή¨. Ο κύκλος επιλύθηκε παραμετρικά και προσδιορίστηκαν οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση του. Για όλους του κύκλους αναπτύχθηκαν μέσω παραμετρικής μελέτης απλές αλγεβρικές εξισώσεις οι οποίες συνδέουν τις λειτουργικές παραμέτρους του κύκλου με το βαθμό απόδοσης και το παραγόμενο έργο για βέλτιστη λειτουργία της μονάδας. Προτάθηκε ένας καινοτόμος κύκλος Kalina με εργαζόμενο μέσο το μίγμα βρωμιούχου λιθίου-νερού. Μέσω θερμοδυναμικής ανάλυσης επετεύχθη η παράστασή του σε ισοδύναμα διαγράμματα T-s και T-h. Η παραμετρική μελέτη που ακολούθησε είχε ως σκοπό τον προσδιορισμό των παραμέτρων αυτών για τους οποίους επιτυγχάνεται βελτίωση της συμπεριφοράς του κύκλου. Τέλος, μέσω συγκριτικής αξιολόγησης αναδείχθηκε η υπεροχή του κύκλου Kalina έναντι οργανικών κύκλων Rankine αναφορικά με τον βαθμό απόδοσης και τη συγκέντρωση ισχύος σε εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιακών πεδίων. Για το σκοπό αυτό διερευνήθηκε η συμπεριφορά διαφόρων οργανικών μέσων σε κύκλους ORC και προσδιορίστηκαν τα οργανικά μέσα για τα οποία βελτιστοποιείται η απόδοση του κύκλου.