Low-grade heat conversion into power using small scale organic rankine cycles

Abstract

The present thesis regards the study of small scale organic Rankine cycles (ORCs) considered in the two philosophies that embodies its applications. Major power cycles, including vapor and gas cycles were recalled with emphasis on advanced Rankine cycles and its derivates that are Kalina and Uehara cycles. Organic Rankine cycles as presented are well adapted for low and medium temperature heat resources below 400°C. The applications intensely investigated are: solar electricity, solar desalination, biomass combined heat and power plants (CHP), geothermal and energy recycling from thermal devices and processes. Suitable Working fluids for a solar ORC driven by heat source temperature below 100°C are selected using predefined criteria such as higher fluid densities, maximum cycle efficiency, safety and environmental data, and moderate critical temperature. R134a, R600, R152a emerged as good fluids among 20 potential candidates. The ORC configurations for the same level of temperature are also subject to an investigation. Exergy topology analysis was applied to suitably choose the optimal configuration based on additional parameters: exergy efficiency, degree of thermodynamic perfection and coefficient of influence. The simple Rankine cycle proved to be more adequate and potentially cost effective in comparison with modified Rankine cycles with internal heat exchangers or with integrated feedliquid heaters. Experimental investigations carried out on a small ORC designed for exhaust gas heat recovery confirmed the technical feasibility of the technology. The test bench was made up of several heat exchangers, two diaphragm pumps and an open-drive oil-free scroll expander. Cycle and expander performances were evaluated and compared for three fluids: R123, R245fa and HFE7000. The maximum power output delivered is about 2 kW, the cycle efficiency is less than 8% and the global efficiency does not exceed 5%. The oil free open-drive expander yields a maximum efficiency of about 70%. The final section deals with the economic evaluation and optimization of small scale ORCs in heat recovery application. The heat source considered is hot air at about 180°C with a mass flow rate of 0.21 kg/s. The optimized cycle system is based on the experimental investigations and models derived. It produces 2 kW power and yields 8% thermal efficiency. Using appropriate mathematical formula the system was scaled-up to 50 kW. The study concludes that the organic Rankine cycle is a promising technology for small-scale waste heat recovery applications. For illustration, the levelized electricity cost (LEC) is about 13.27 c€/kWh for very small systems (2 kW) and decreases down to 7 c€/kWh for a 50 kWe system. This value could be significantly lower, below 5 c€/kWh for medium and large size systems. By means of a thermo-economic model the mismatch between the optimal technical point and the minimum specific cost was demonstrated. The analysis of the mismatch allowed concluding that economic optimization instead of thermodynamic optimization or a compromise between them is recommended when seeking for profitable environmental solutions.

Η παρούσα διατριβή αφορά στη μελέτη των οργανικών κύκλων Rankine μικρής κλίμακας και στην ενσωμάτωση των εφαρμογών τους σε δύο φιλοσοφίες. Σημαντικοί θερμοδυναμικοί κύκλοι ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των κύκλων ατμών και φυσικού αερίου υπογραμμίστηκαν με έμφαση στους προηγμένους κύκλους Rankine και των παραγώγων του που είναι οι κύκλοι Kalina και Uchara. Οι οργανικοί κύκλοι Rankine, όπως παρουσιάζονται είναι καλά προσαρμόσιμοι για μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας πόρων θερμότητας κάτω των 400°C. Οι εφαρμογές που κυρίως διερευνώνται είναι: η ηλιακή ενέργεια, η ηλιακή αφαλάτωση, η βιομάζα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, η γεωθερμική ενέργεια και η ανακύκλωση της θερμικής ενέργειας από θερμικές συσκευές και διαδικασίες. Κατάλληλα εργαζόμενα ρευστά για ένα ηλιακό οργανικό κύκλο Rankine οδηγούμενο από πηγής θερμότητας θερμοκρασίας κάτω των 100°C, επιλέγονται με προκαθορισμένα κριτήρια, όπως οι υψηλότερες πυκνότητες ρευστών, η μέγιστη απόδοση του κύκλου, τα δεδομένα ασφάλειας και τα περιβαλλοντικά δεδομένα, και η μέτρια κρίσιμη θερμοκρασία. Τα RI34a , R600, RI52a έχουν αναδειχθεί ως καλά εργαζόμενα ρευστά μεταξύ των 20 υποψηφίων. Οι διαμορφώσεις του οργανικού κύκλου Rankine για το ίδιο επίπεδο θερμοκρασίας ερευνώνται επίσης. 11 εξεργειακή ανάλυση που ονομάζεται "Exergy topology" εφαρμόζεται για την επιλογή της κατάλληλης βέλτιστης διάταξης που βασίζεται σε πρόσθετες παραμέτρους: την εξεργειακή αποτελεσματικότητα, το βαθμό θερμοδυναμικής τελειότητας και το συντελεστή επιρροής. Ο απλός κύκλος Rankine αποδείχθηκε πιο κατάλληλος και δυνητικά οικονομικά αποδοτικότερος σε σύγκριση με τους τροποποιημένους κύκλους Rankine. Πειραματικές έρευνες που διεξάγονται σε ένα μικρό οργανικό κύκλο Rankine σχεδιασμένο για την ανάκτηση θερμότητας καυσαερίων επιβεβαιώνουν την τεχνική σκοπιμότητα της τεχνολογίας. Το πειραματικό σύστημα αποτελείται από εναλλάκτες θερμότητας, δύο αντλίες διαφράγματος και μια τουρμπίνα scroll. Ο κύκλος και η τουρμπίνα αξιολογούνται και συγκρίνονται για τρία εργαζόμενα ρευστά: R123 , R245fa και HFE7000. Η μέγιστη ισχύς που παρατηρείται είναι περίπου 2 kW, η απόδοση του κύκλου είναι μικρότερη από 8% και η συνολική αποτελεσματικότητα δεν υπερβαίνει το 5%. Η τουρμπίνα scroll αποδίδει μέγιστη απόδοση 70%. Η τελευταία ενότητα αφορά στην οικονομική αξιολόγηση και την αξιοποίηση των οργανικών κύκλων Rankine μικρής κλίμακας σε εφαρμογή ανάκτησης θερμότητας. Η πηγή θερμότητας είναι θερμός αέρας σε περίπου 180°C με ροή μάζας 0.21 kg/s. Το σύστημα βελτιστοποιημένου κύκλου βασίζεται στις πειραματικές έρευνες και στα μοντέλα που παράγονται. Το σύστημα παράγει 2 kW και έχει θερμική απόδοση 8%. Χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μαθηματικό μοντέλο, η κλίμακα του συστήματος αυξάνεται έως 50 kW. Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο οργανικός κύκλος Rankine είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας μικρής κλίμακας. Για παράδειγμα, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 13.27 c€/kWh για τα πολύ μικρά συστήματα (2 kW) και μειώνεται κάτω σε 7 c€/kWh για ένα σύστημα 50 kWe. Η τιμή αυτή μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη, κάτω από 5 c€/kWh, για συστήματα μεσαίας και μεγάλης κλίμακας. Μέσω ενός θερμο-οικονομικού μοντέλου αποδεικνύεται η αναντιστοιχία μεταξύ του βέλτιστου τεχνικού σημείου και του ελάχιστου ειδικού κόστους. FI ανάλυση της αναντιστοιχίας καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η οικονομική βελτιστοποίηση αντί της θερμοδυναμικής βελτιστοποίησης ή ένας συμβιβασμό μεταξύ τους, συνίσταται όταν αναζητούνται αποδοτικές περιβαλλοντικές λύσεις.