| Abstract | U završnom radu provesti će se analiza nekih mogućnosti upotrebe rankinovog ciklusa s organskim fluidom (ORC-Organic Rankine Cycle) s nadkritičnim parametrima za proizvodnju električne energije iz suviška toplinskog toka sustava daljinskog grijanja. Suvišni toplinski tok ima kapacitet (maseni protok) qm=00 kg/s, a tlak vode iznosi 10 bara dok je temperatura 180°C (TH,in). Izlazna temperatura je ograničena na 140°C, jer je projektom predviđeno da se s tim tokom zagrijava voda u daljinskom grijanju. Temperatura na ulazu u turbina ne smije biti veća od 170°C, dok je temperatura fluida tijekom kondenzacije u kondenzatoru 30°C. Predviđeno je da ORC ciklus radi u nadkritičnom području. Sve potrebne proračune provesti upotrebom programskog paketa EES (Engineering Equation Solver). U prvom dijelu rada provesti će se analiza promjene termofizikalnih svojstava radnog fluida u blizini kritične točke i u nadkritičnim uvjetima. Analizirati će se naredna termofizikalna svojstva radnih fluida: specifični toplinski kapacitet, koeficijent dinamičke viskoznosti, gustoća i koeficijent toplinske vodljivosti. Zadani radni fluidi su: R134a, R32, R124, R125, R142b, R143a, R152a, R600, R290 i R236fa. Na osnovu dobivenih rezultata o promjeni vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta o tlaku, za svaki radni fluid regresijskom analizom odredit će se korelacija za izračun pseudokritične temperature radnog fluida u ovisnosti o radnom nadkritičnom tlaku. Navedene korelacije za izračun vrijednosti pseudokritične temperature koristiti će se u Jackson-ovoj korelaciji za izračun koeficijenata prijelaza topline za strujanje radnog fluida u cijevima pri nadkritičnim uvjetima. Prikazati promjene termofizikalnih karakteristika radnih fluida kod pseudokritičnih temperatura u odgovarajućim dijagramima. U drugom dijelu rada prvo će se provesti određivanje nadkritičnog područja rada ORC ciklusa s određenim radnom fluidom. Nadkritično područje rada omeđeno je maksimalnim Pmax i minimalnim Pmin nadkritičnim tlakom, maksimalnom entropijom smax, te maksimalnom tempertaturom u ciklusu Tmax. Odabrano je da za sve radne fluide maksimalni tlak bude 80 bara, dok se vrijednost minimalnog tlaka određuje putem izraza Pmin=1,1 Pcr. Maksimalna temperatura određuje se izrazom Tmax=TH,in-10, što u ovom slučaju iznosi 170°C. Maksimalna entropija smax predstavlja najveću vrijednost enropije na liniji zasićenja (stanje suhozasićene pare) od kritičnog tlaka do tlaka kondenzacije za određeni radni fluid. Mokri radni fluidi imaju vrijednost smax upravo kod tlaka kondenzacije, dok se kod suhih i izentropskih fluida smax javlja kod tlakova koji su bliže vrijednosti kritičnog tlaka Pcr nego tlaku kondenzacije. Uvođenjem ograničenja smax kao jedne od granica nadkritičnog područja osigurava se da je ekspanziona linija u turbini uvijek u području pregrijane pare. Nadkritično područje predstavlja domenu svih potencijalnih toplinskih stanja radnog fluida na ulasku u turbinu. Navedeno područje omeđeno je karakterističnim točkama. Najčešće je nadkritično područje omeđeno sa četiri točke: A(Pmax, Tmax), B(Pmin, Tmax), C(Pmax, Smax) i D(Pmin,Smax). U nekim slučajevima je nadkritično područje omeđeno sa tri točke: A (P=Pmax<80 bar, Tmax), B (Pmin, Tmax), C (Pmax, Smax). Matematički model segmentiranog protustrujnog izmjenjivača topline s nadkritičnim radnim fluidom u cijevima koristi Jackson-ovu korelaciji za izračun koeficijenata prijelaza topline, dok je izvan cijevi (u plaštu) korištena Kernova metoda proračuna koeficijenta prijelaza topline. Duž izmjenjivača topline analizira se promjena vrijednosti koeficijenata prijelaza topline sa strane cijevi za svaku od karakterističnih točaka nadkritičnog područja. Dobiveni rezultati prikazuju se u odgovarajućim dijagramima. |
| Abstract (english) | The final paper analyses some possibilities of using the Organic Rankine Cycle (ORC) with supercritical parameters for the production of electricity from excess heat flow of the district heating system. Excess heat flow has a capacity (mass flow) qm=100 kg/s, and water pressure is 10 bar while the temperature is 180 ° C (TH, in). The outlet temperature is limited to 140 ° C, because the project envisages heating the water in the district heating during this time. The temperature at the inlet to the turbine must not exceed 170 ° C, while the temperature of the fluid is 30 ° C during condensation in the condenser. The ORC cycle is predicted to operate in the supercritical area. All the necessary calculations will be carried out using the software package EES (Engineering Equation Solver). The first part of this paper will analyze the change in the thermophysical properties of the working fluid near the critical point and in supercritical conditions. The following thermophysical properties of working fluids are analysed: specific heat capacity, dynamic viscosity coefficient, density and thermal conductivity coefficient. Default working fluids are: R134a, R32, R124, R125, R142b, R143a, R152a, R600, R290 and R236fa. Based on the obtained results on change values of specific heat capacity under pressure, for each working fluid by regression analysis, it is determined a for the calculation of the pseudocritical temperature of the working fluid depending on the working supercritical pressure. The mentioned correlations for the calculation of pseudocritical temperature values will be used in the Jackson correlation for the calculation of heat transfer coefficients of the flow of working fluid in pipes under supercritical conditions. The changes in thermophysical characteristics of working fluids will be showed at pseudocritical temperatures in the corresponding diagrams. The second part of the final paper will firstly discuss the determination of the supercritical operating range of the ORC cycle with a specific working fluid. The supercritical operating range is marked by the maximum Pmax and the minimum Pmin supercritical pressure, the maximum entropy smax, and the maximum temperature in the Tmax cycle. It was chosen that for all working fluids the maximum pressure is 80 bar, while the value of the minimum pressure is determined by the expression Pmin = 1,1 Pcr. The maximum temperature is determined by the expression Tmax = TH, in-10, which in this case is 170 ° C. The maximum entropy Smax represents the highest value of entropy on the saturation line (dry saturated vapor state) from the critical pressure to the condensing pressure for a given working fluid. The wet working fluids have a value of Smax at the condensing pressure, while in dry and isentropic fluids, Smax occurs at pressures that are closer to the value of the critical pressure Pcr than the value of condensing pressure. The introduction of the Smax constraint as one of the limits of the supercritical region ensures that the expansion line in the turbine is always in the superheated steam region. The supercritical area represents the domain of all potential thermal states of the working fluid at the turbine inlet. This area is bounded by characteristic points. The supercritical area is most often marked by four points: A (Pmax, Tmax), B (Pmin, Tmax), C (Pmax, Smax) and D (Pmin, Smax). In some cases, the supercritical area is marked by three points: A (P = Pmax <80 bar, Tmax), B (Pmin, Tmax), C (Pmax, Smax). A mathematical model of a segmented countercurrent heat exchanger with the supercritical working fluid in pipes uses Jackson’s correlation to calculate heat transfer coefficients, while outside the pipes (in the shell) the Kern method of heat transfer coefficient calculation is used. Along with the heat exchanger, the change in the value of the heat transfer coefficients on the pipe side for each of the characteristic points of the supercritical region is analyzed. The obtained results are shown in the corresponding diagrams. |
