Investigation of power generating turbine characteristics for low enthalpy organic Rankine cycles

Abstract

In the present dissertation the real gas effects on the design of supersonic power production turbine for low enthalpy Organic Rankine Cycle (ORC) is studied. The blading design for both stator and rotor is performed by applying non-ideal gas models used in Aerospace engineering for supersonic nozzles development for space aircraft applications. Over the last decades, a surge in consumption of fossil fuels has led to serious environmental problems such as global warning protection, destruction of ozone layer and atmospheric pollution. For these reasons, an increasing trend in exploitation of low-enthalpy heat sources in the field of power production from waste heat recovery, has gained renewed interest. Towards to this direction, Organic Rankine Cycle systems have proven to be a very promising solution to avoid aggravation of this problem. ORC systems operate with heavy and molecular complex organic substances as the working fluid, which results to completely different design concept of the turbine compared to either standard gas or steam turbine designs. Also, during dry expansion, these fluids are close to dense gas region (on the right side of the saturation line) where the speed of sound is low. This means that supersonic turbines with high-expansion-ratio must be used to ensure efficient performance (≥75%) of the power production turbine. On the other hand, the designers should be aware of the generated shock and expansion waves within blades passages, because of supersonic conditions, that enhance losses. The goal of the present study is to develop an integrated model of equations to enable the user to design the thermodynamic cycle through the assessment of the available heat source and propose to user the most optimal working fluid for maximum useful power extraction. Based on the selected medium, the algorithm may proceed with the geometry optimization of the turbine and the blading design for both stator and rotor takes place. For shock wave losses minimization, the “Method of Characteristics” is used. Finally, the generated geometries were tested in a steady viscous numerical simulation by using a CFD commercial software. The numerical results were further validated with the experimental results of the “water table” test rig which was built for the purposes of this study in the premises of the Laboratory of Fluid Mechanics and Turbomachinery of the Aristotle University of Thessaloniki. Flow visualization experiments took place on the “water table” in order to observe and verify the existence of the shock waves on the desirable position inside the blade passages. Moreover, an experimental setup that consists of a pipeline network was constructed in order to test the innovative, non-invasive developed method for pipe leakage detection and localization, since the environmental protection is the ultimate goal of this study. Finally, a novel working fluid consisting of isobutane and isopentane has been proposed and investigated by applying the Navier-Stokes (RANS) method which uses equation of state for dense gases. The obtained results indicated that ORC’s thermal efficiency may reach 13.9% while it operates in maximum power output and the total-to-total turbine efficiency is 82.65%.

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται ο σχεδιασμός υπερηχητικού στροβίλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για Οργανικούς κύκλους Rankine (ORC) χαμηλής ενθαλπίας (≈100οC). Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ο σχεδιασμός καινοτομικών πτερυγίων τόσο για το στάτορα, όσο και για το ρότορα με τη χρήση των πιο σύγχρονων μεθόδων που εφαρμόζονται στην Αεροδιαστημική για το σχεδιασμό των υπερηχητικών ακροφυσίων των διαστημοπλοίων με τη χρήση καταστατικών εξισώσεων πραγματικών αερίων. Ο λόγος που γίνεται επιτακτική η ανάγκη σχεδιασμού υπερηχητικών πτερυγίων έγκειται στο γεγονός ότι τα οργανικά, όπως προκύπτει και από την ονομασία αυτών των συστημάτων, ρευστά χαρακτηρίζονται από χαμηλές τιμές της ταχύτητα του ήχου στο σημείο λειτουργίας. Έτσι για να επιτευχθεί μια ικανοποιητική απόδοση του στροβίλου ≥75%, απαιτείται μεγάλος λόγος πιέσεων κατά την εκτόνωση, δηλαδή απαιτείται ο στρόβιλος να βρίσκεται σε υπερηχητικές συνθήκες λειτουργίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος θερμοδυναμικών εξισώσεων, ο οποίος είναι ικανός να υπολογίζει την αξιοποιήσιμη ενέργεια της εκάστοτε διαθέσιμης θερμικής πηγής και να προτείνει στο χρήστη τη βέλτιστη διάταξη του οργανικού κύκλου Rankine καθώς και το καταλληλότερο εργαζόμενο μέσο δίνοντας έμφαση στη παραγόμενη ισχύ. Αφού καθοριστεί το εργαζόμενο μέσο, πραγματοποιείται η διαστασιολόγηση του στροβίλου και στη συνέχεια γίνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των πτερυγίων με βάση το ρευστό που έχει επιλεχθεί. Η σχεδίαση των πτερυγίων τόσο του στάτορα όσο και του ρότορα γίνεται με τη «μέθοδο των χαρακτηριστικών» για την ελαχιστοποίηση των απωλειών της ροής λόγω των υπερηχητικών κυμάτων. Τέλος, η ρευστοδυναμική μελέτη των πτερυγίων έλαβε χώρα για την εκτίμηση της απόδοσης του στροβίλου, ενώ κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη (water table) στο Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών και Στροβιλομηχανών με σκοπό την επαλήθευση των απωλειών μέσω της παρατήρησης των κυμάτων εκτόνωσης στα επιθυμητά σημεία ανάμεσα από τα υπερηχητικά πτερύγια. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε τόσο υπολογιστικά, όσο και πειραματικά μια καινοτόμα μέθοδος ανίχνευσης τυχόν διαρροών του εργαζόμενου μέσου, μιας και η προστασία του περιβάλλοντος αποτελούσε πρωταρχικό σκοπό της παρούσας διατριβής. Η συγκεκριμένη μέθοδος βασίστηκε στις ακουστικές εκπομπές (acoustic emissions) που διαχέονται στο περιβάλλοντα χώρο κατά τη διαρροή ενός ρευστού από κλειστό κύκλωμα. Τέλος, ανακαλύφθηκε ένα νέο εργαζόμενο μέσο που αποτελεί μείγμα δύο ευρέως διαδεδομένων οργανικών ρευστών, του ισοβουτανίου και του ισοπεντανίου, το οποίο σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, επιτρέπει τη θερμική απόδοση του κύκλου να φτάνει το 13.9% σε συνθήκες μέγιστης παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος με την απόδοση του μονοβάθμιου στροβίλου να αγγίζει το 82.65%.