Ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας ναυτικής μηχανής με χρήση οργανικού κύκλου Rankine

Κορδέλλος, Διονύσιος

Waste heat recovery of a marine engine by means of Organic Rankine Cycle

Διπλωματική εργασία

Author

Κορδέλλος, Διονύσιος

Date

2024-11-06

Advisor

Κουμπογιάννης, Δημήτριος

Kordellos_18393074.pdf (4.965Mb)

Keywords

Οργανικός κύκλος Rankine ; Κύκλος νερού-ατμού Rankine ; Οργανικά ρευστά ; Εργαζόμενα ρευστά ; Ναυτικός κινητήρας πετρελαίου ; Ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας ; Συνδυασμένος κύκλος θερμικών μηχανών ; Πλοίο ; Μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) ; Εναλλάκτης θερμότητας ; Εκτονωτής ; Αντλία ; Μοντελοποίηση

Abstract

Στον τομέα της ναυτιλίας, ένα από τα κύρια κίνητρα είναι η μείωση των δαπανών για καύσιμα και η συμμόρφωση με τους ολοένα και πιο αυστηρούς κανονισμούς για τις εκπομπές ρύπων. Η αξιοποίηση της θερμότητας που απορρίπτεται από τα πλοία είναι κρίσιμη, δεδομένου ότι περίπου το 50% της συνολικής ενέργειας που παρέχουν οι ναυτικοί κινητήρες Diesel διαφεύγει στο περιβάλλον. Η ανάκτηση αυτής της θερμότητας με συστήματα WHR (Waste Heat Recovery) επιτρέπει την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών του πλοίου. Η εφαρμογή κύκλων χαμηλής θερμοκρασίας (bottoming power cycles), και ειδικότερα του ORC (Organic Rankine Cycle), θεωρείται μία από τις πιο αποδοτικές λύσεις για την ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμότητας από ναυτικούς κινητήρες Diesel καθώς βελτιώνει τη συνολική ενεργειακή αποδοτικότητα και μειώνει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζονται οι τεχνολογίες WHR που μπορούν να εφαρμοστούν σε πλοία για την εκμετάλλευση της απορριπτόμενης θερμότητας των κινητήρων Diesel. Η εργασία επικεντρώνεται σε συστήματα συνδυασμένου κύκλου Diesel – ORC. Παρέχει μια επισκόπηση των βασικών αρχών των θερμικών κύκλων, περιγράφει τον κύκλο Rankine και τις βελτιώσεις του, ενώ παρουσιάζει προηγούμενες προσπάθειες και αποτελέσματα εφαρμογών της τεχνολογίας σε ναυτικά και βιομηχανικά πλαίσια. Επιπλέον, γίνεται θερμοδυναμική ανάλυση ενός τέτοιου συνδυασμένου κύκλου με στόχο την εξέταση της επίδρασης παραγόντων όπως η μέγιστη πίεση λειτουργίας του ORC, η επιλογή του κατάλληλου ρευστού και η ισχύς του ναυτικού κινητήρα στις συνολικές επιδόσεις του συστήματος. Τέλος, αναλύονται οι προοπτικές και οι προκλήσεις της υιοθέτησης αυτής της τεχνολογίας στον ναυτιλιακό τομέα.

Abstract

In the maritime sector, one of the main incentives is the reduction of fuel costs and compliance with increasingly stringent emission regulations. The utilization of waste heat emitted by ships is crucial, given that approximately 50% of the total energy provided by marine Diesel engines is lost to the environment. Recovering this heat using WHR (Waste Heat Recovery) systems allows for meeting part of the ship's energy needs. The application of low-temperature cycles (bottoming power cycles), particularly the ORC (Organic Rankine Cycle), is considered one of the most efficient solutions for recovering waste heat from marine Diesel engines, as it enhances overall energy efficiency and reduces the environmental footprint. This study presents WHR technologies that can be implemented on ships to exploit the waste heat from Diesel engines. The work focuses on Diesel–ORC combined cycle systems, providing an overview of the fundamental principles of thermal cycles, describing the Rankine cycle and its improvements, and showcasing previous efforts and outcomes of technology applications in maritime and industrial contexts. Furthermore, a thermodynamic analysis of such a combined cycle is conducted to examine the impact of factors such as the maximum operating pressure of the ORC, the choice of working fluid, and the power capacity of the marine engine on the overall system performance. Finally, the prospects and challenges of adopting this technology in the maritime sector are analyzed.