Návrh a vzduchové experimenty jednostupňového axiálního turboexpandéru pro ORC jednotku
Design and cold-air tests of a single-stage axial micro turboexpander for an ORC power system
Typ dokumentu
diplomová prácemaster thesis
Autor
Jan Špale
Vedoucí práce
Novotný Václav
Oponent práce
Weiss Andreas P
Studijní obor
EnergetikaStudijní program
Strojní inženýrstvíInstituce přidělující hodnost
ústav energetikyPráva
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Zobrazit celý záznamAbstrakt
Hlavním cílem této diplomové práce je navrhnout mikro turboexpandér pro biomasovou kogenerační jednotku pracující s organickým Rankinovým cyklem. V úvodu této práce je proveden zevrubný rozbor aktuálního stavu poznání v této oblasti. Dále jsou diskutovány dostupné a možné konfigurace a architektury turboexpandérů pro ORC systémy nízkých výkonů. Specifika spjatá s návrhem takovýchto strojů jsou shrnuta na závěr rešeršní části. Samostatná kapitola je věnována přehledu technologií 3-D tisku a aditivní výroby ve vztahu k výrobě, prototypování a celkovému potenciálu těchto technologií pro turboexpandéry nízkých výkonů. Rešerše dostupné literatury odhalila značný potenciál pro použití této výrobní metody pro výrobu prototypů turbostrojů, ten nicméně nebyl doposavad podložen experimentálně a referencí je poskrovnu. Kapitola návrhu ORC mikro turboexpandéru seznamuje čtenáře s metodologií návrhu stroje a prezentuje výsledky návrhu hlavních komponent turboexpandéru pomocí sestaveného modelu. Dále navazuje kapitola věnující se experimentálním pracem na 3-D tištěných turboexpandérech pomocí různých aditivních výrobních technologií. Experimenty byly provedeny na trati se stlačeným vzduchem s účelem získat účinnostní charakteristiky těchto sestav turbín. Byl zkoumán zejména vliv kvality tisku, drsnosti povrhu a dokončovacích operací na výslednou isentropickou účinnost stroje. Závěr přináší doporučení ohledně možností využití aditiviních technologií pro turboexpandéry nízkých výkonů na základě poznatků nabytých z experimentů a také prezentuje předpokládané budoucí práce autora v tomto tématu. Main goal of the thesis is to design a micro scale turboexpander for biomass combined heat and power plant (CHP) operating with Organic Rankine Cycle (ORC). In the beginning of the thesis, a research summary of small-scale ORC turboexpanders is presented. Several turbine architectures for ORCs and the peculiarities and specifics of designing an ORC turbomachine are discussed. A single chapter is devoted to additive manufacturing technologies and their specifics with respect to small scale turbomachinery. The reason is the vast potential of additive manufacturing for turboexpanders design. A literature review of experimental work is followed by general recommendations for applying these novel technologies. The methodology of the ORC micro turboexpander design is described thoroughly in Chapter 4 as well as the design calculation itself. A standalone Chapter 5 is dedicated to the experimental investigation of the prototypes of additively manufactured turbine assemblies. Cold-air tests were performed on a test rig built in-house for this specific purpose. The measurement devices and the experimental method to obtain isentropic efficiency of the machine are described as well. The final results of the experiments are discussed, for instance the differences in isentropic efficiency of the turbines manufactured by different technologies, the effect of surface roughness on the profile loss or the ventilation loss model validation. Finally, recommendations towards utilization of additive manufacturing methods for prototypes for cold air tests are given based on the experience gained during the experiments. The future works are proposed towards expander application in ORC test-rigs with aim towards future commercialization.
Kolekce
- Diplomové práce - 12115 [186]