Investigation of power generating turbine characteristics for low enthalpy organic Rankine cycles

Abstract

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται ο σχεδιασμός υπερηχητικού στροβίλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για Οργανικούς κύκλους Rankine (ORC) χαμηλής ενθαλπίας (≈100οC). Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ο σχεδιασμός καινοτομικών πτερυγίων τόσο για το στάτορα, όσο και για το ρότορα με τη χρήση των πιο σύγχρονων μεθόδων που εφαρμόζονται στην Αεροδιαστημική για το σχεδιασμό των υπερηχητικών ακροφυσίων των διαστημοπλοίων με τη χρήση καταστατικών εξισώσεων πραγματικών αερίων. Ο λόγος που γίνεται επιτακτική η ανάγκη σχεδιασμού υπερηχητικών πτερυγίων έγκειται στο γεγονός ότι τα οργανικά, όπως προκύπτει και από την ονομασία αυτών των συστημάτων, ρευστά χαρακτηρίζονται από χαμηλές τιμές της ταχύτητα του ήχου στο σημείο λειτουργίας. Έτσι για να επιτευχθεί μια ικανοποιητική απόδοση του στροβίλου ≥75%, απαιτείται μεγάλος λόγος πιέσεων κατά την εκτόνωση, δηλαδή απαιτείται ο στρόβιλος να βρίσκεται σε υπερηχητικές συνθήκες λειτουργίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος θερμοδυναμικών εξισώσεων, ο οποίος είναι ικανός να υπολογίζει την αξιοποιήσιμη ενέργεια της εκάστοτε διαθέσιμης θερμικής πηγής και να προτείνει στο χρήστη τη βέλτιστη διάταξη του οργανικού κύκλου Rankine καθώς και το καταλληλότερο εργαζόμενο μέσο δίνοντας έμφαση στη παραγόμενη ισχύ. Αφού καθοριστεί το εργαζόμενο μέσο, πραγματοποιείται η διαστασιολόγηση του στροβίλου και στη συνέχεια γίνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των πτερυγίων με βάση το ρευστό που έχει επιλεχθεί. Η σχεδίαση των πτερυγίων τόσο του στάτορα όσο και του ρότορα γίνεται με τη «μέθοδο των χαρακτηριστικών» για την ελαχιστοποίηση των απωλειών της ροής λόγω των υπερηχητικών κυμάτων. Τέλος, η ρευστοδυναμική μελέτη των πτερυγίων έλαβε χώρα για την εκτίμηση της απόδοσης του στροβίλου, ενώ κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη (water table) στο Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών και Στροβιλομηχανών με σκοπό την επαλήθευση των απωλειών μέσω της παρατήρησης των κυμάτων εκτόνωσης στα επιθυμητά σημεία ανάμεσα από τα υπερηχητικά πτερύγια. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε τόσο υπολογιστικά, όσο και πειραματικά μια καινοτόμα μέθοδος ανίχνευσης τυχόν διαρροών του εργαζόμενου μέσου, μιας και η προστασία του περιβάλλοντος αποτελούσε πρωταρχικό σκοπό της παρούσας διατριβής. Η συγκεκριμένη μέθοδος βασίστηκε στις ακουστικές εκπομπές (acoustic emissions) που διαχέονται στο περιβάλλοντα χώρο κατά τη διαρροή ενός ρευστού από κλειστό κύκλωμα. Τέλος, ανακαλύφθηκε ένα νέο εργαζόμενο μέσο που αποτελεί μείγμα δύο ευρέως διαδεδομένων οργανικών ρευστών, του ισοβουτανίου και του ισοπεντανίου, το οποίο σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, επιτρέπει τη θερμική απόδοση του κύκλου να φτάνει το 13.9% σε συνθήκες μέγιστης παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος με την απόδοση του μονοβάθμιου στροβίλου να αγγίζει το 82.65%.