Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Conception of an ORC module for High Temperature recovery
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

De senaste 25 åren har präglats av en betydande ökning av efterfrågan på el. Tyvärr har den ökade el-produktionen skett utan hänsyn till miljön och genom ökning av CO2-utsläppen. Under de senaste decennierna har nya metoder för produktion av el från förnybara källor uppstått. I motsats till solcellspaneler eller vindkraftverk som är beroende av väderförhållandena, ”Organic Rankin Cycle” ORC erbjuda ett trovärdigt alternativ för elproduktionen.

Idag tillverkas ORC av många företag. Till exempel erbjuder ett franskt företag två standardsortiment av ORC produkter som använder icke-brännbar, giftfri arbetsfluider. Emellertid är maskinernas arbetskapacitet begränsad, eftersom arbetsfluiden inte är lämplig för återvinning av värme från värmekällor över 200 °C.

Denna avhandling utfördes för att förstå design parameter för en ORC maskin som arbetar, främst med fokus på arbetsfluid urvalsprocess och för att förstå de viktigaste orsakerna, varför inga sådana maskiner som använder icke-brännbar arbetsfluider kommersialiseras. Studien bygger på en litteraturgenomgång som belyser lämpliga vätskor för återvinning av låga temperaturer. Fyra vätskor valdes för studien: ett kolväte (Cyclopentan), två silikonoljor (MM och MDM) och HFC 245fa. Det senare är valt för att det är inte brännbart. Tekniska parametrar - t.ex. driftstryck och temperaturer, klämpunkter, rök kylförmåga, NPSH etc. är av intresse i detta arbet. Men ekonomiska parametrar är också avgörande, eftersom maskinerna är tänkt att vara lönsamma.

Flera högpresterande ORC maskiner påträffades i litteraturen för återvinning av värme från högre temperatur med cirka 24 % verkningsgrad, dock arbetsfluiderna är brännbara och gift baserade.

R245fa fungerar bra, men denna vätska ger en mindre effektiv cykeln bland de fyra ovan nämnda. Dessutom presenterar det högt förångningstryck som är nödvändig leder till en ökning av kostnader för alla komponenter och öka risk för läckage. Det finnas flera frågor som ska beaktas, såsom dess termiska stabilitet i kritiska tillstånd och dess betydande inverkan på miljön (högt GWP). Av alla dessa skäl, var R245fa inte betraktas som tillräckligt bra som arbetsfluid.

Efter en serie simuleringar, var MM anses vara den bästa vätskan med optimal avvägning mellan prestanda och ekonomiska faktorer. Cykeln når upp till 20,8% verkningsgrad för ångor nedkylning till 230 °C. Ändå kan elproduktionen ökas med 65 % genom att något minska cykeleffektiviteten men sänka utloppstemperaturen.

Abstract [en]

The last 25 years have been characterized by a significant rise in electricity demand. Unfortunately, the power sector has grown through very polluting power plants to meet the demand, drastically increasing the CO2 emissions. The International Energy Agency advocates for low-carbon technology investments in the power sector to curb out this phenomenon.

During the last decades, new means of producing electricity from renewable sources have arisen. Contrary to PV panels or wind turbines which are dependent on weather conditions, ORCs offer a credible alternative for based-load electricity production.

Many companies now manufacture ORC machines. For instance, one French company offers two standard ranges of ORC product featuring one indisputable advantage: their machines use a non-flammable, non-toxic working fluid. However, their machines’ performance is limited, as the fluid is not suitable for recovering heat from sources above 200°C.

More performant ORC machines were found in the literature, recovering heat from higher temperature sources – with about 24% efficiency – however without featuring the advantage of using a non-flammable, non-toxic working fluid.

This thesis was carried out in order to understand the conception work of an ORC machine, mainly focusing on the working fluid selection process to understand the main reasons why no such highly efficient machine using a non-flammable working fluid was ever commercialized.

The study first relies on a literature review that highlights the suitable fluids for high temperature recovery. Four fluids – those with the highest likeliness of technical and economic feasibility – were selected for the study: one hydrocarbon (Cyclopentane), two silicon oils (MM and MDM) and the HFC 245fa. The latter is chosen for its non-flammability property, this attractive feature that is not yet done in High Temperature ORC machines. Technical parameters – such as operating pressures and temperatures, pinch points, fumes cooling ability, NPSH… - are focused on in an early stage. However, economic parameters are also decisive, since the machine is supposed to be much profitable.

R245fa yields proper performance, however this fluid leads to the less efficient cycle among the four aforementioned. Moreover, it presents high evaporating pressure that necessarily leads to a rise in all components cost and increase the risk of leakage. Other issues were identified, such as its questionable thermal stability in the critical state and its significant impact on the environment (high GWP). For all these reasons, this non-flammable working fluid was not considered as valuable enough for the machine.

After a series of simulations, MM was regarded as the best fluid with optimal trade-off between performance and economic factors. The cycle reaches up to 20.8% efficiency for fumes cooling down to 230°C. Yet, the electricity production can be increased by 65% by slightly reducing the cycle efficiency but lowering the fumes outlet temperature – as it increases thermal power recovery from a given fumes mass flow.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 49 p.
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-192552OAI: oai:DiVA.org:kth-192552DiVA: diva2:970633
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-09-14 Created: 2016-09-14 Last updated: 2016-09-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2453 kB)3 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2453 kBChecksum SHA-512
eef395fd72a5a9f3389dabb0319438dbee2dbdeae2707fcc1962bbff96e9cd9570d37207209de40ea5d4f4cd020b33f096ae4ae9292ce05f5dfc122fd8df6c63
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 3 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 15 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link