Termodynamický návrh a optimalizace Organického Rankinova cyklu (ORC)

Ing. Petr Kirchner

Master's thesis

Abstract:

Diplomová práce se zaměřuje na optimalizaci provozních parametrů Organického Rankin - Clausiova cyklu (ORC), pracujícího s organickým chladivem R134a. V rámci práce je sestaven virtuální model reálného ORC cyklu v prostředí MatLab, kde parametry virtuálního modelu přesně odpovídají parametrům referenčního reálného cyklu. Na virtuálním modelu jsou provedeny analýzy citlivosti vstupních parametrů cyklu na účinnost cyklu a také na velikosti některých komponent cyklu. V úvodu je vysvětlen základní princip ORC. Následně jsou uvedeny tlakové ztráty, které mohou v oběhu vzniknout a možnosti zvyšování tepelné účinnosti cyklu. Dále jsou popsány základní principy jednotlivých komponent ORC. Součástí popisu jsou i konkrétní provozní a technické parametry cyklu. Další část je zaměřena na sestavení fyzikálních modelů jak samotného ORC cyklu, tak jeho některých komponent. Fyzikální modely zahrnují termodynamický výpočet cyklu a výpočet velikosti tepelných výměníků. V další části je popsán vlastní postup a nastavení výpočtu v prostředí MatLab a implementace počátečních a okrajových podmínek. Následující část představuje analýzu cyklu na změny provozních parametrů. Jsou zde vykresleny vypočtené průběhy velikostí teplosměnných ploch, tepelných účinností a tepelných výkonů v závislosti na zvolených parametrech. Vybrané průběhy jsou dále porovnány s referenčními průběhy získanými na reálném referenčním cyklu. Dle vypočtených průběhů jsou odhadnuty optimální provozní parametry reálného ORC, které jsou později diskutovány v ekonomickém zhodnocení návratnosti vložených investic.

Abstract:

Diploma thesis presents parametric optimization of Organic Rankine Cycle (ORC), using R134a as a working fluid. In this thesis, a virtual model of a real ORC is composed with parameters, matching parameters of the reference real one. An analysis of an influence of input parameters on cycle efficiency along with the size of components of the cycle is performed in this virtual model. Thesis starts explaining basic principle of ORC. It is followed by an introduction to both heat and pressure losses that may appear with ways of raising thermal efficiency of the cycle. Furthermore, description of basic functionality of ORC equipment is given including specific technical and operational parameters of the cycle. along with description of equipment in PolyComp Company and real operation parameters of a whole cycle. Next chapter of this thesis is focused on physical model creation of both ORC and its given components. Physical models include cycle calculations, especially in terms of thermal efficiency and the size of heat exchangers. Next, a computer program in MatLab has been developed to compute the cycle. Computation method, precision, initial and boundary conditions are also included. Following chapter comprises a cycle analysis with changing operational conditions. It includes plotting of calculated heat transfer surfaces, thermal efficiencies and thermal power with given parameters. Then, selected plots are compared with reference ones, using data from real reference cycle. Optimal operation parameters of the real ORC are selected based on these plots, which are discussed in economic evaluation of investments.

Keywords

Organický Rankin, Clausiův cyklus, optimalizace provozních parametrů, organické chladivo R134a, rekuperace, přehřívání páry

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 2. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2016
• Supervisor: Ing. Miloš Müller, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Master programme / field:
Mechanical Engineering / Machine and Equipment Systems