Совершенствование методики выбора рабочего тела и расширителя для установок органического цикла Ренкина
Ключевые слова:
энергосберегающие технологии, низкопотнециальноя тепловая энергия, органический цикл Ренкина, предельная температура насыщения
Аннотация
Производство установок, работающих на основе органического цикла Ренкина (ОЦР), началось в 1980-х гг., но постоянное развитие холодильной техники и термодинамики привело к использованию разных рабочих тел и типов расширителей. Особенностью проектирования цикла Ренина на органических теплоносителях стал их тип фазовых кривых и значение критической и тройной точек.
Правильный выбор рабочего тела важен для эффективного функционирования установки ОЦР. Он обеспечивает достижение максимальной эффективности работы системы и является стабильным при различных температурных условиях. Оптимизация методики заключается в параметрическом моделировании зависимостей КПД цикла и мощности в зависимости от температуры насыщения и рабочего тела. В качестве ограничения, чтобы избежать проблем, связанных с сверхкритическим циклом Ренкина, вызванным использованием жидкостей с низкими критическими температурами, необходимо убедиться, что критическая температура рабочей жидкости не опускается ниже 50 °C. Турбины в системе ОЦР могут быть радиальными или осевыми в зависимости от размера установки, массового расхода и отношения давлений. Осевые турбины предпочтительны для больших массовых расходов и низких разностей давлений, в то время как радиальные турбины подходят для низких массовых расходов и высоких разностей давлений.
Предложен алгоритм выбора рабочего тела для произвольного источника теплоты и методика определения эффективности расширителей.
Показано влияние выбора оптимального рабочего тела от параметров источника теплоты, сформулирован критерий полного восстановления (поглощения) теплоты (ОПР)
Литература
1. Tocci L., Pal T., Pesmazoglou I., Franchetti B. Small Scale Organic Rankine Cycle (ORC): a Techno-economic Review // Energies. 2017. V. 10. Pp. 413—439.
2. Feng Y-Q e. a. Operation Characteristics and Performance Prediction of a 3 kW Organic Rankine Cycle (ORC) with Automatic Control System Based on Machine Learning Methodology // Energy. 2023. V. 263(4). P. 125857.
3. Ezoji H., Ajarostaghi S.S.M. Thermodynamic-CFD Analysis of Waste Heat Recovery from Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine by Recuperative Organic Rankine Cycle (RORC): Effect of Operational Parameters // Energy. 2020. V. 205. P. 117989.
4. Feng Y. e. a. Parametric Analysis and Thermal-economical Optimization of a Parallel Dual Pressure Evaporation and Two Stage Regenerative Organic Rankine Cycle Using Mixture Working Fluids // Energy. 2023. V. 263(4). P. 125670.
5. Baniam M., Yari M., Mehr A.S. Optimization Waste Heat Recovery and Power Generation for Industrial Sustainability: a Comparative Study of Supercritical CO2 Brayton, Organic Rankine, and Inverted Brayton Cycles with Synthesis Natural Gas as Heat Source // Energy. 2024. V. 47. Pp. 1—46.
6. Chen L. е. а. Thermodynamic Analysis of a Hybrid Energy System Coupling Solar Organic Rankine Cycle and Ground Source Heat Pump: Exploring Heat Cascade Utilization // Energy. 2023. V. 284(C). Pp. 1—49.
7. Shahidi S.M.M. e. a. Exergy and Energy Analysis of Organic Rankine Cycle Integration in the Carbon Black Industry Using Pinch Technology // Thermal Sci. and Eng. Progress. 2023. V. 46. P. 102160.
8. Carraro G., Bori V., Lazzaretto A., Toniato G., Danieli P. Experimental Investigation of an Innovative Biomass-fired Micro-ORC System for Cogeneration Applications // Renewable Energy. 2020. V. 161. Pp. 1226—1243.
9. Fatigati F., Bartomeo M.D., Cipollone R. Experimental and Numerical Characterization of a Positive Displacement Vane Expander with an Auxiliary Injection Port for an ORC-based Power Unit // Energy Proc. 2018. V. 148. Pp. 830—837.
10. Han Y., Zuo T., Chen R., Xu Y. Experimental Study and Energy Loss Analysis of an R245fa Organic Rankine Cycle Prototype System with a Radial Piston Expander // Appl. Thermal Energy. 2020. V. 169(6). P. 114939.
11. Campana C., Cioccolamti L., Remzi M., Caresana F. Experimental Analysis of a Small-scale Scroll Expander for Low-temperature Waste Heat Recovery in Organic Rankine Cycle // Energy. 2019. V. 187. P. 115929.
12. Карабарин Д.И. Повышение эффективности утилизации низкопотенциальной энергии теплотехнологических установок: дис. … канд. техн. наук. Красноясрк: Сибирский федеральный ун-т, 2021.
13. Цветков О.Б. и др. Озонобезопасные хладагенты // Научный журнал НИУ «ИТМО». Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2014. № 3. С. 98—111.
14. Muhammad I., Muhammad U., Byung S.P., Dong H.L. Volumetric Expanders for Low Grade Heat and Waste Heat Recovery Applications // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016. V. 57. Pp. 1090—1109.
15. CoolProp [Электрон. ресурс] http://www.coolprop.org (дата обращения 02.02.2024).
---
Для цитирования: Карабарин Д.И. Совершенствование методики выбора рабочего тела и расширителя для установок органического цикла Ренкина // Вестник МЭИ. 2024. № 6. С. 83—91. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-83-91.
#
1. Tocci L., Pal T., Pesmazoglou I., Franchetti B. Small Scale Organic Rankine Cycle (ORC): a Techno-economic Review. Energies. 2017:10:413—439.
2. Feng Y-Q e. a. Operation Characteristics and Performance Prediction of a 3 kW Organic Rankine Cycle (ORC) with Automatic Control System Based on Machine Learning Methodology. Energy. 2023:263(4):125857.
3. Ezoji H., Ajarostaghi S.S.M. Thermodynamic-CFD Analysis of Waste Heat Recovery from Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine by Recuperative Organic Rankine Cycle (RORC): Effect of Operational Parameters. Energy. 2020:205:117989.
4. Feng Y. e. a. Parametric Analysis and Thermal-economical Optimization of a Parallel Dual Pressure Evaporation and Two Stage Regenerative Organic Rankine Cycle Using Mixture Working Fluids. Energy. 2023:263(4):125670.
5. Baniam M., Yari M., Mehr A.S. Optimization Waste Heat Recovery and Power Generation for Industrial Sustainability: a Comparative Study of Supercritical CO2 Brayton, Organic Rankine, and Inverted Brayton Cycles with Synthesis Natural Gas as Heat Source. Energy. 2024:47:1—46.
6. Chen L. е. а. Thermodynamic Analysis of a Hybrid Energy System Coupling Solar Organic Rankine Cycle and Ground Source Heat Pump: Exploring Heat Cascade Utilization. Energy. 2023:284(C):1—49.
7. Shahidi S.M.M. e. a. Exergy and Energy Analysis of Organic Rankine Cycle Integration in the Carbon Black Industry Using Pinch Technology. Thermal Sci. and Eng. Progress. 2023:46:102160.
8. Carraro G., Bori V., Lazzaretto A., Toniato G., Danieli P. Experimental Investigation of an Innovative Biomass-fired Micro-ORC System for Cogeneration Applications. Renewable Energy. 2020:161:1226—1243.
9. Fatigati F., Bartomeo M.D., Cipollone R. Experimental and Numerical Characterization of a Positive Displacement Vane Expander with an Auxiliary Injection Port for an ORC-based Power Unit. Energy Proc. 2018:148:830—837.
10. Han Y., Zuo T., Chen R., Xu Y. Experimental Study and Energy Loss Analysis of an R245fa Organic Rankine Cycle Prototype System with a Radial Piston Expander. Appl. Thermal Energy. 2020:169(6):114939.
11. Campana C., Cioccolamti L., Remzi M., Caresana F. Experimental Analysis of a Small-scale Scroll Expander for Low-temperature Waste Heat Recovery in Organic Rankine Cycle. Energy. 2019:187:115929.
12. Karabarin D.I. Povyshenie Effektivnosti Utilizatsii Nizkopotentsial'noy Energii Teplotekhnologicheskikh Ustanovok: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Krasnoyasrk: Sibirskiy Federal'nyy Un-t, 2021. (in Russian).
13. Tsvetkov O.B. i dr. Ozonobezopasnye Khladagenty. Nauchnyy Zhurnal NIU «ITMO». Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2014;3:98—111. (in Russian).
14. Muhammad I., Muhammad U., Byung S.P., Dong H.L. Volumetric Expanders for Low Grade Heat and Waste Heat Recovery Applications. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016;57:1090—1109.
15. CoolProp [Elektron. Resurs] http://www.coolprop.org (Data Obrashcheniya 02.02.2024)
---
For citation: Karabarin D.I. Improvement of the Methodology for Selecting the Working Fluid and Flash Tank for Organic Rankine Cycle Units. Bulletin of MPEI. 2024;6:83—91. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-83-91.
2. Feng Y-Q e. a. Operation Characteristics and Performance Prediction of a 3 kW Organic Rankine Cycle (ORC) with Automatic Control System Based on Machine Learning Methodology // Energy. 2023. V. 263(4). P. 125857.
3. Ezoji H., Ajarostaghi S.S.M. Thermodynamic-CFD Analysis of Waste Heat Recovery from Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine by Recuperative Organic Rankine Cycle (RORC): Effect of Operational Parameters // Energy. 2020. V. 205. P. 117989.
4. Feng Y. e. a. Parametric Analysis and Thermal-economical Optimization of a Parallel Dual Pressure Evaporation and Two Stage Regenerative Organic Rankine Cycle Using Mixture Working Fluids // Energy. 2023. V. 263(4). P. 125670.
5. Baniam M., Yari M., Mehr A.S. Optimization Waste Heat Recovery and Power Generation for Industrial Sustainability: a Comparative Study of Supercritical CO2 Brayton, Organic Rankine, and Inverted Brayton Cycles with Synthesis Natural Gas as Heat Source // Energy. 2024. V. 47. Pp. 1—46.
6. Chen L. е. а. Thermodynamic Analysis of a Hybrid Energy System Coupling Solar Organic Rankine Cycle and Ground Source Heat Pump: Exploring Heat Cascade Utilization // Energy. 2023. V. 284(C). Pp. 1—49.
7. Shahidi S.M.M. e. a. Exergy and Energy Analysis of Organic Rankine Cycle Integration in the Carbon Black Industry Using Pinch Technology // Thermal Sci. and Eng. Progress. 2023. V. 46. P. 102160.
8. Carraro G., Bori V., Lazzaretto A., Toniato G., Danieli P. Experimental Investigation of an Innovative Biomass-fired Micro-ORC System for Cogeneration Applications // Renewable Energy. 2020. V. 161. Pp. 1226—1243.
9. Fatigati F., Bartomeo M.D., Cipollone R. Experimental and Numerical Characterization of a Positive Displacement Vane Expander with an Auxiliary Injection Port for an ORC-based Power Unit // Energy Proc. 2018. V. 148. Pp. 830—837.
10. Han Y., Zuo T., Chen R., Xu Y. Experimental Study and Energy Loss Analysis of an R245fa Organic Rankine Cycle Prototype System with a Radial Piston Expander // Appl. Thermal Energy. 2020. V. 169(6). P. 114939.
11. Campana C., Cioccolamti L., Remzi M., Caresana F. Experimental Analysis of a Small-scale Scroll Expander for Low-temperature Waste Heat Recovery in Organic Rankine Cycle // Energy. 2019. V. 187. P. 115929.
12. Карабарин Д.И. Повышение эффективности утилизации низкопотенциальной энергии теплотехнологических установок: дис. … канд. техн. наук. Красноясрк: Сибирский федеральный ун-т, 2021.
13. Цветков О.Б. и др. Озонобезопасные хладагенты // Научный журнал НИУ «ИТМО». Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2014. № 3. С. 98—111.
14. Muhammad I., Muhammad U., Byung S.P., Dong H.L. Volumetric Expanders for Low Grade Heat and Waste Heat Recovery Applications // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016. V. 57. Pp. 1090—1109.
15. CoolProp [Электрон. ресурс] http://www.coolprop.org (дата обращения 02.02.2024).
---
Для цитирования: Карабарин Д.И. Совершенствование методики выбора рабочего тела и расширителя для установок органического цикла Ренкина // Вестник МЭИ. 2024. № 6. С. 83—91. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-83-91.
#
1. Tocci L., Pal T., Pesmazoglou I., Franchetti B. Small Scale Organic Rankine Cycle (ORC): a Techno-economic Review. Energies. 2017:10:413—439.
2. Feng Y-Q e. a. Operation Characteristics and Performance Prediction of a 3 kW Organic Rankine Cycle (ORC) with Automatic Control System Based on Machine Learning Methodology. Energy. 2023:263(4):125857.
3. Ezoji H., Ajarostaghi S.S.M. Thermodynamic-CFD Analysis of Waste Heat Recovery from Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine by Recuperative Organic Rankine Cycle (RORC): Effect of Operational Parameters. Energy. 2020:205:117989.
4. Feng Y. e. a. Parametric Analysis and Thermal-economical Optimization of a Parallel Dual Pressure Evaporation and Two Stage Regenerative Organic Rankine Cycle Using Mixture Working Fluids. Energy. 2023:263(4):125670.
5. Baniam M., Yari M., Mehr A.S. Optimization Waste Heat Recovery and Power Generation for Industrial Sustainability: a Comparative Study of Supercritical CO2 Brayton, Organic Rankine, and Inverted Brayton Cycles with Synthesis Natural Gas as Heat Source. Energy. 2024:47:1—46.
6. Chen L. е. а. Thermodynamic Analysis of a Hybrid Energy System Coupling Solar Organic Rankine Cycle and Ground Source Heat Pump: Exploring Heat Cascade Utilization. Energy. 2023:284(C):1—49.
7. Shahidi S.M.M. e. a. Exergy and Energy Analysis of Organic Rankine Cycle Integration in the Carbon Black Industry Using Pinch Technology. Thermal Sci. and Eng. Progress. 2023:46:102160.
8. Carraro G., Bori V., Lazzaretto A., Toniato G., Danieli P. Experimental Investigation of an Innovative Biomass-fired Micro-ORC System for Cogeneration Applications. Renewable Energy. 2020:161:1226—1243.
9. Fatigati F., Bartomeo M.D., Cipollone R. Experimental and Numerical Characterization of a Positive Displacement Vane Expander with an Auxiliary Injection Port for an ORC-based Power Unit. Energy Proc. 2018:148:830—837.
10. Han Y., Zuo T., Chen R., Xu Y. Experimental Study and Energy Loss Analysis of an R245fa Organic Rankine Cycle Prototype System with a Radial Piston Expander. Appl. Thermal Energy. 2020:169(6):114939.
11. Campana C., Cioccolamti L., Remzi M., Caresana F. Experimental Analysis of a Small-scale Scroll Expander for Low-temperature Waste Heat Recovery in Organic Rankine Cycle. Energy. 2019:187:115929.
12. Karabarin D.I. Povyshenie Effektivnosti Utilizatsii Nizkopotentsial'noy Energii Teplotekhnologicheskikh Ustanovok: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Krasnoyasrk: Sibirskiy Federal'nyy Un-t, 2021. (in Russian).
13. Tsvetkov O.B. i dr. Ozonobezopasnye Khladagenty. Nauchnyy Zhurnal NIU «ITMO». Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2014;3:98—111. (in Russian).
14. Muhammad I., Muhammad U., Byung S.P., Dong H.L. Volumetric Expanders for Low Grade Heat and Waste Heat Recovery Applications. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016;57:1090—1109.
15. CoolProp [Elektron. Resurs] http://www.coolprop.org (Data Obrashcheniya 02.02.2024)
---
For citation: Karabarin D.I. Improvement of the Methodology for Selecting the Working Fluid and Flash Tank for Organic Rankine Cycle Units. Bulletin of MPEI. 2024;6:83—91. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-83-91.
Опубликован
2024-09-04
Выпуск
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)
