Рекуперация тепла с использованием органического цикла Ренкина

  • Дакка [Dakkah] Баидаа [Baydaa] Бу [Bo]
  • Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]
  • Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]
Ключевые слова: органический цикл Ренкина (ОЦР), изоэнтропические жидкости, низкотемпературные источники тепла

Аннотация

Потери тепла в промышленных процессах в зависимости от температуры уходящих газов делят на высоко-, средне- и низкотемпературное тепло. Его обычно восстанавливают с помощью теплообменников, либо с помощью замкнутого цикла Ренкина. Однако около 60% низкотемпературных тепловых потерь остаются невосполнимыми. В настоящее время органический цикл Ренкина — перспективный метод низкотемпературной рекуперации энергии. Появилось немало теоретических исследований на эту тему, но экспериментов выполнено совсем немного.

Создан лабораторный испытательный стенд рекуперации тепла мощностью 2 кВт с использованием теплообменников трубчатого типа, шестеренчатого насоса и турбодетандера на рабочем теле R141b. Установлено, что КПД цикла растёт по мере роста температуры кипения и давления, но увеличение перегрева на входе расширителя ведет к снижению КПД из-за использования R141b. На входе испарителя и выходе конденсатора происходят перегрев и переохлаждение рабочего тела, что отрицательно влияет на эффективность цикла. Количество полученного полезного тепла — 45,4 Вт с КПД 2,24%. в результате низких показателей эффективности расширителя и насоса, а также утечек во время испытания.

Разработка экспериментального стенда на базе органического цикла Ренкина требует длительной исследовательской работы и большого научного потенциала. В последующем потребуется новый испытательный стенд для достижения более эффективной работы расширителя и насоса, что повлияло бы на повышение КПД цикла. Также, следует заменить рабочую жидкость в цикле.

Сведения об авторах

Дакка [Dakkah] Баидаа [Baydaa] Бу [Bo]

аспирантка кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: Budakka@mpei.ru

Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]

доктор технических наук, профессор кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: SultanguzinIA@mpei.ru

Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]

кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: YavorovskyYV@mpei.ru

Литература

1. Quoilin S. e. a. Techno-economic Survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2013. V. 22. Pp. 168—186.
2. Madhawa Hettiarachchi H.D., Golubovic M., Worek W.M., Ikegami Y. Optimum Design Criteria for an Organic Rankine Cycle Using Low-temperature Geothermal Heat Sources // Energy. 2007. V. 32. Pp. 1698—1706.
3. Casci C. e. a. Heat Recovery in a Ceramic Kiln with an Organic Rankine Cycle Engine // J. Heat Recovery Syst. 1981. V. 1. Pp. 125—131.
4. Guo C., Du X., Yang L., Yang Y. Organic Rankine Cycle for Power Recovery of Exhaust Flue Gas. Appl. Thermal Eng. 2015. V. 75. Pp. 135—144.
5. Xi X., Zhou Y., Guo C., Yang L., Du X. Characteristics of Organic Rankine Cycles with Zeotropic Mixture for Heat Recovery of Exhaust Gas of Boiler // Energy Proc. 2015. V. 75. Pp. 1093—1101.
6. Mazzi N., Rech S., Lazzaretto A. Off-design Dynamic Model of a Real Organic Rankine Cycle System Fuelled by Exhaust Gases from Industrial Processes // Energy. 2015. V. 90. Pp. 537—551.
7. Zhou N., Wang X., Chen Z., Wang Z. Experimental Study on Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery from Low-temperature Flue Gas // Energy. 2013. V. 55. Pp. 216—225.
8. Peris B., Navarro-Esbrí J., Molés F., Collado R., Mota-Babiloni A. Performance Evaluation of an Organic Rankine Cycle (ORC) for Power Applications from Low Grade Heat Sources // Appl. Thermal Eng. 2015. V. 75. Pp. 763—769.
9. Peris B., Navarro-Esbrí J., Molés F., Collado R., Mota-Babiloni A. Experimental Study of an ORC (Organic Rankine Cycle) for Low Grade Waste Heat Recovery in a Ceramic Industry // Energy. 2015. V. 85. Pp. 534—542.
10. Goswami D.Y. Solar Thermal Power Technology: Present Status and Ideas for the Future // Energy Sources. 2007. V. 20. Pp. 137—145.
11. Li D., Zhang S., Wang G. Selection of Organic Rankine Cycle Working Fluids in the Low-Temperature Waste Heat Utilization // J. Hydrodynamics. 2015. V. 27. Pp. 458—464.
12. Manolakos D., Papadakis G., Kyritsis S., Bouzianas K. Experimental Evaluation of an Autonomous Low-temperature Solar Rankine Cycle System for Reverse Osmosis Desalination. Desalination. 2007. V. 203. Pp. 366—374.
13. Wang X.D., Zhao L., Wang J.L. Experimental Investigation on the Lоw-temperature Solar Rankine Cycle System Using R245fa // Energy Conversion and Management. 2011. V. 52. Pp. 946—952.
14. Uusitalo A., Honkatukia J., Backman J., Nyyssönenb S. Experimental Study on Charge Air Heat Utilization of Large-scale Reciprocating Engines by Means of Organic Rankine Cycle // Appl. Thermal Eng. 2015. V. 89. Pp. 209—219.
15. Chen Y., Lundqvist P., Johansson A., Platell P. A Comparative Study of the Carbon Dioxide Transcritical Power Cycle Compared with an Organic Rankine Cycle with R123 as Workingfluid in Waste Heat Recovery // Appl. Thermal Eng. 2006. V. 26. Pp. 2142—2147.
16. Kane M., Larrain D., Favrat D., Allani Y. Small Hybrid Solar Power System // Energy. 2003. V. 28. Pp. 1427—1443.
17. Muhammad U., Imrana M., Lee D.H., Park B.S. Design and Experimental Investigation of a 1 kW Organic Rankine Cycle System Using R245fa as Working Fluid for Low-grade Waste Heat Recovery from Steam // Energy Conversion and Management. 2015. V. 103. Pp. 1089—1100.
18. Jung H.C., Taylor L., Krumdieck S. An Experimental and Modelling Study of a 1 kW Organic Rankine Cycle Unit with Mixture Working Fluid // Energy. 2015. V. 81. Pp. 601—614.
19. Chang J.C., Hung T.C., He Y.L., Zhang W. A Experimental Study on Low-temperature Organic Rankine Cycle Utilizing Scroll Type Expander // Appl. Energy. 2015. V. 155. Pp. 150—159.
20. Kosmadakis G. e. a. Experimental Testing of a Low-temperature Organic Rankine Cycle (ORC) Engine Coupled with Concentrating PV/Thermal Collectors: Laboratory Andfield Tests // Energy. 2016. V. 117. Pp. 222—236.
21. Wong C.S., Meyer D., Krumdieck S. Selection and Conversion of Turbocharger as Turbo-Expander for Organic Rankine Cycle (ORC) // Proc. 35th New Zealand Geothermal Workshop. Nov Rotorua, 2013. Pp. 1—8.
22. Meyer D., Wong C.S., Engle F., Krumdieck S. Design and Build of a 1 Kilowatt Organic Rankine Cycle Power Generator // Ibid. Pp. 1—7.
23. Султангузин И.А. Экологическая безопасность и энергетическая эффективность промышленных теплоэнергетических систем. М.: Изд-во МЭИ, 2013
---
Для цитирования: Бу Дакка Баидаа, Султангузин И.А., Яворовский Ю.В. Рекуперация тепла с использованием органического цикла Ренкина // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 51—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-51-57.
#
1. Quoilin S. e. a. Techno-economic Survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2013;22:168—186.
2. Madhawa Hettiarachchi H.D., Golubovic M., Worek W.M., Ikegami Y. Optimum Design Criteria for an Organic Rankine Cycle Using Low-temperature Geothermal Heat Sources. Energy. 2007; 32:1698—1706.
3. Casci C. e. a. Heat Recovery in a Ceramic Kiln with an Organic Rankine Cycle Engine. J. Heat Recovery Syst. 1981;1:125—131.
4. Guo C., Du X., Yang L., Yang Y. Organic Rankine Cycle for Power Recovery of Exhaust Flue Gas. Appl. Thermal Eng. 2015;75:135—144.
5. Xi X., Zhou Y., Guo C., Yang L., Du X. Characteristics of Organic Rankine Cycles with Zeotropic Mixture for Heat Recovery of Exhaust Gas of Boiler. Energy Proc. 2015;75:1093—1101.
6. Mazzi N., Rech S., Lazzaretto A. Off-design Dynamic Model of a Real Organic Rankine Cycle System Fuelled by Exhaust Gases from Industrial Processes. Energy. 2015;90:537—551.
7. Zhou N., Wang X., Chen Z., Wang Z. Experimental Study on Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery from Low-temperature Flue Gas. Energy. 2013;55:216—225.
8. Peris B., Navarro-Esbrí J., Molés F., Collado R., Mota-Babiloni A. Performance Evaluation of an Organic Rankine Cycle (ORC) for Power Applications from Low Grade Heat Sources. Appl. Thermal Eng. 2015;75:763—769.
9. Peris B., Navarro-Esbrí J., Molés F., Collado R., Mota-Babiloni A. Experimental Study of an ORC (Organic Rankine Cycle) for Low Grade Waste Heat Recovery in a Ceramic Industry. Energy. 2015;85:534—542.
10. Goswami D.Y. Solar Thermal Power Technology: Present Status and Ideas for the Future. Energy Sources. 2007;20:137—145.
11. Li D., Zhang S., Wang G. Selection of Organic Rankine Cycle Working Fluids in the Low-Temperature Waste Heat Utilization. J. Hydrodynamics. 2015;27:458—464.
12. Manolakos D., Papadakis G., Kyritsis S., Bouzianas K. Experimental Evaluation of an Autonomous Low-temperature Solar Rankine Cycle System for Reverse Osmosis Desalination. Desalination. 2007;203:366—374.
13. Wang X.D., Zhao L., Wang J.L. Experimental Investigation on the Lоw-temperature Solar Rankine Cycle System Using R245fa. Energy Conversion and Management. 2011;52:946—952.
14. Uusitalo A., Honkatukia J., Backman J., Nyyssönenb S. Experimental Study on Charge Air Heat Utilization of Large-scale Reciprocating Engines by Means of Organic Rankine Cycle. Appl. Thermal Eng. 2015;89:209—219.
15. Chen Y., Lundqvist P., Johansson A., Platell P. A Comparative Study of the Carbon Dioxide Transcritical Power Cycle Compared with an Organic Rankine Cycle with R123 as Workingfluid in Waste Heat Recovery. Appl. Thermal Eng. 2006;26:2142—2147.
16. Kane M., Larrain D., Favrat D., Allani Y. Small Hybrid Solar Power System. Energy. 2003;28:1427—1443.
17. Muhammad U., Imrana M., Lee D.H., Park B.S. Design and Experimental Investigation of a 1 kW Organic Rankine Cycle System Using R245fa as Working Fluid for Low-grade Waste Heat Recovery from Steam. Energy Conversion and Management. 2015;103:1089—1100.
18. Jung H.C., Taylor L., Krumdieck S. An Experimental and Modelling Study of a 1 kW Organic Rankine Cycle Unit with Mixture Working Fluid. Energy. 2015;81:601—614.
19. Chang J.C., Hung T.C., He Y.L., Zhang W. A Experimental Study on Low-temperature Organic Rankine Cycle Utilizing Scroll Type Expander. Appl. Energy. 2015;155:150—159.
20. Kosmadakis G. e. a. Experimental Testing of a Low-temperature Organic Rankine Cycle (ORC) Engine Coupled with Concentrating PV/Thermal Collectors: Laboratory Andfield Tests. Energy. 2016;117:222—236.
21. Wong C.S., Meyer D., Krumdieck S. Selection and Conversion of Turbocharger as Turbo-Expander for Organic Rankine Cycle (ORC). Proc. 35th New Zealand Geothermal Workshop. Nov Rotorua, 2013:1—8.
22. Meyer D., Wong C.S., Engle F., Krumdieck S. Design and Build of a 1 Kilowatt Organic Rankine Cycle Power Generator. Ibid:1—7.
23. Sultanguzin I.A. Ekologicheskaya Bezopasnost' i Energeticheskaya Effektivnost' Promyshlennykh Teploenergeticheskikh Sistem. M.: Izd-vo MEI, 2013. (in Russian).
---
For citation: Baydaa Bo Dakkah, Sultanguzin I.A., Yavorovsky Yu.V. An Experimental Study of Heat Recovery Based on the Organic Rankine Cycle. Bulletin of MPEI. 2021;5:51—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-51-57.
Опубликован
2020-11-24
Раздел
Промышленная теплоэнергетика (05.14.04)