Εφαρμογή οργανικού κύκλου Rankine για την ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμότητας μηχανών πλοίου και μετατροπής της σε ισχύ

Γιαννιός, Βασίλειος

Organic Rankine cycle appliance on the recovery of wasted heat of marine engines and its conversion into power

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Γιαννιός, Βασίλειος

Date

2022-02

Advisor

Παπουτσιδάκης, Μιχαήλ

Μεταπτυχιακή εργασία (11.43Mb)

Keywords

Rankine ; Ναυτιλία

Abstract

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η πληροφόρηση σχετικά με την απορριπτόμενη ενέργεια και τις τεχνολογίες ανακύκλωσης της, συγκεκριμένα του Οργανικού Κύκλου Rankine. Η ζήτηση για τεχνολογίες ανάκτησης της απορριπτόμενης θερμότητας αυξάνεται ραγδαία τις τελευταίες δεκαετίες, καθώς διεθνείς οργανισμοί όπως η Marpol, θέτουν σε ισχύ ποικίλες νομοθεσίες με στόχο τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμων και τον περιορισμό των εκπομπών καταστροφικών για το περιβάλλον αερίων. Αρχικά γίνεται ο ορισμός του όρου απορριπτόμενη θερμότητα και αναλύονται οι πηγές της σε μία μηχανή πρόωσης πλοίου. Γίνεται αναφορά στον Οργανικό Κύκλο Rankine, των βασικών επιμέρους στοιχείων του και πραγματοποιείται θερμοδυναμική ανάλυση προκειμένου να εξαχθεί η συνάρτηση που υπολογίζεται η απόδοση του Κύκλου. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά των διαφόρων παραλλαγών του κύκλου, ανάλογα με τις θερμοκρασίες και πιέσεις εισόδου και εξόδου του εργαζόμενου μέσου σε ορισμένα στοιχεία του κύκλου. Επίσης αναφέρεται και ο διβάθμιος κύκλος, που είναι η ένωση δύο οργανικών Κύκλων Rankine. Ύστερα πραγματοποιείται ανάλυση της διαδικασίας επιλογής εργαζόμενου μέσου, η οποία αποτελεί και τη σημαντικότερη διαδικασία, καθώς επηρεάζει άμεσα την απόδοση και το κόστος του Κύκλου. Αναφέρονται τα αποτελέσματα που εξάχθηκαν από προηγούμενες έρευνες, οι οποίες ανέλυσαν διάφορα οργανικά μέσα με βάση την απόδοση, το κόστος και τους δείκτες GWP (Global Warming Potential) και ODP (Ozone Depletion Potential). Τέλος γίνεται αναφορά στις ήδη υπάρχουσες εφαρμογές του Οργανικού Κύκλου Rankine σε εγκαταστάσεις καύσης βιομάζας και ανάκτησης γεωθερμίας, και γίνεται αναφορά σε μια έρευνα κατά την οποία αναλύθηκαν οι συνθήκες λειτουργίας διαφόρων τύπων πλοίων (Δεξαμενόπλοιο, ΧΥΔΗΝ φορτίου, εμπορευματοκιβωτίων) και έγινε προσδιορισμός των καταλληλότερων εργαζομένων μέσων, με βάση το κόστος, την απόδοση και τις συνθήκες λειτουργίας. Τεχνολογίες όπως ο Οργανικός Κύκλος Rankine αποτελούν σημαντικές αναβαθμίσεις των ήδη υπάρχουσων μηχανών, και σε συνδυασμό με το χαμηλότερο κόστος λειτουργίας τους και τη δυνατότητα επιλόγης εργαζόμενου μέσου ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας με σκοπό τη μεγιστοποίηση της απόδοσης, είναι αναμενόμενη η εφαρμογή τους σε όλο και περισσότερες εγκαταστάσεις.

Abstract

The purpose of this paper is to provide information on waste heat and its recycling technologies, namely the Rankine Organic Cycle. Demand for waste heat recovery technologies has grown rapidly in recent decades as international organizations such as Marpol enact a variety of laws aimed at reducing fuel consumption and reducing environmentally harmful emissions. First, the term waste heat is defined and its sources are analyzed in a ship propulsion engine. Reference is made to the Rankine Organic Cycle, its basic components and a thermodynamic analysis is performed in order to derive the function that calculates the yield of the Cycle. Then the different variants of the cycle are reported, depending on the temperatures and pressures of inlet and outlet of the working medium in certain elements of the cycle. Also mentioned is the two-step cycle, which is the union of two organic Rankine Cycles. Then an analysis of the process of selecting a working fluid is performed, which is the most important process, as it directly affects the performance and cost of the Cycle. The results obtained from previous surveys, which analyzed various organic instruments based on performance, cost and indicators GWP (Global Warming Potential) and ODP (Ozone Depletion Potential) are reported. Finally, reference is made to the existing applications of the Organic Rankine Cycle in biomass combustion plants and geothermal recovery, and reference is made to a research in which the operating conditions of various types of ships (Tanker, Bulk, Container) were analyzed and suitable workers were identified. based on cost, performance and operating conditions. Technologies such as the Organic Rankine Cycle are significant upgrades to existing machines, and in combination with their lower operating costs and the ability to select a working medium depending on operating conditions in order to maximize performance, their application is expected in more and more facilities.