Návrh experimentální jednotky založeném na absorpčním oběhu pro konání práce a využívající roztok LiBr

Abstract

Neustálé úsilí o lepší využitelnost primárních zdrojů a vyšší účinnost energetických systémů vedla v posledních letech komerční i vědecké společnosti k výzkumu i velmi nízkoteplotních zdrojů elektrické energie. Tyto velmi nízkoteplotní zdroje dosahují předpokládané teplotní hranice kolem 150 °C, což představuje začátek běžného rozsahu teplot organických Rankinových cyklů (ORC). Mezi absorpční cykly patří například cyklus Kalinův, který je již řadu let známý jako teoreticky výhodný v nízkoteplotních aplikacích výroby elektrické energie, ovšem se značnými nedostatky projevujícími se v praktickém užití. Tyto nedostatky se zdají být částečně odstraněny například použitím jiného pracovního média v absorpčním cyklu. Tato diplomová práce se věnuje právě využití vodního roztoku bromidu lithného v absorpčním produkčním cyklu (APC), který v teoretické rovině slibuje dobré termodynamické vlastnosti. Technologie absorpce je již dlouho známa z chladicího průmyslu a publikace různých autorů potvrzují možnost implementace těchto postupů k výrobě elektrické energie. Tato práce navazuje na předešlé zdroje výzkumu APC a předkládá metodiku návrhu komponent jednotlivých částí pro aplikaci ve výrobě elektrické energie. Metodika návrhu je pak následována samotnou stavbou zařízení, která je v čase psaní této práce v průběhu. Experimentální zařízení APC předpokládá zdroje tepla z nadřazeného organického Rankinova cyklu (ORC) o teplotě 90 °C a přenášeného tepelného výkonu 20 kW. Expandér, který je vyráběn aditivním 3D tiskem z plastu předpokládá výkon necelých 0.5 kW. Navzdory malému výkonu je díky exergetické účinnosti a dostatečně velkému objemovému toku dosahováno vyšší účinnosti expandéru. V experimentálních podmínkách je zařízení značně naddimenzováno z důvodu prakticky neověřených procesů a nejistot v chování média. Práce předkládá termodynamický model cyklu, metodiku návrhu a praktické provedení konstrukce. Toto je nutným a prvním krokem k dalšímu výzkumu na zařízení, které po absolvování prvotní fáze ověření konceptu může v budoucích pracích pokračovat optimalizací velikosti zařízení či studií komerční proveditelnosti.

Continuous efforts for better fuel utilization and efficiency amelioration in both commercial and scientific circles have led the research towards an exploration of very-low-temperature heat sources for power generation. Such very-low temperature sources have an upper-temperature limit of approximately 150 °C, thus approaching the beginning of the feasible range of already well-established organic Rankine cycles (ORCs). Absorption cycles, of which, the e.g. Kalina cycle has already proven both thermodynamic advantages and practical implementations, seem to become perspective systems for the low-temperature heat source, such as last-stage bottoming cycle or small scale waste heat recovery. The working fluid of Kalina cycles has, however, caused multiple operational problems and for this reason, a solution of Lithium-Bromide salt in water as the working fluid of an absorption power cycle (APC) has been proposed by some of the researchers. The absorption technology with a solution of H2O-LiBr has only been practically known from cooling industry, but theoretical publications have demonstrated a possible adjustment for power generation. A design methodology of an absorption power cycle (APC) with a solution of H2O-LiBr is discussed and presented in this work. Following the methodology prepared, a proof-of-concept experimental unit is being constructed upon the design proposed. The experimental unit is to be set as a bottoming cycle of an organic Rankine circle (ORC) with generator inlet temperature of 90 °C and heat input to the APC of 20 kW. The APC unit is expected to have a gross power output of 0.5 kW. Nevertheless, a temperature glide during the heat addition and rejection result in higher exergy efficiency, and significant volumetric flow rate of vapour allows to build an efficient turbine for small power output. The technology of additive manufacturing from plastic is used for the expander. Under experimental conditions, on the other hand, the design results willingly in the components' over-sizing, which is expected to cover the uncertainties of the model and the character of the fluid. This thesis presents a thermodynamic model of the cycle, methodology for sizing of the components and a final design proposal of the APC unit. Once the construction of the APC is finalized, future work is expected to bring results of the operation, approval of the concept, size optimization and possible economic feasibility study that would determine future commercialization of the system.