Přímá integrace organického Rankinova oběhu do spalovacího motoru pro komplexní využití odpadního tepla

Abstract

Hlavním cílem této diplomové práce je přestavba plynového stacionárního spalovacího motoru (ICE) pro integraci podřazeného organického Rankinova cyklu (ORC). Smyslem spojení technologií je dodatečná výroba elektrické energie z odpadního tepla spalovacího motoru. Problémem je ale značná technická složitost a kapitálová náročnost. Proto se práce zabývá inovativním konceptem přímého chlazení skříně motoru pracovní látkou ORC. Tato konfigurace umožňuje vysokou míru využití odpadního tepla, jak z chlazení, tak z výfukových plynů, a zároveň eliminuje pomocné okruhy teplosměnných látek. V úvodu této práce jsou spalovací motory popsány po technické i provozní stránce. Důraz je kladen na zdroje odpadního tepla z ICE a jeho konvenční využití. Dále jsou diskutovány alternativní plynná paliva a jejich vliv na současnou i budoucí energetiku, a to hlavně v kontextu decentralizované energetiky. Samotná kapitola je věnována rešerši podřazených systémům ICE s důrazem na ORC. Jsou představeny možné koncepty ICE+ORC a popsány jejich výhody a nevýhody. Experimentální část práce se nejprve zabývá určením charakteristik malé kogenerační jednotky. Pokračuje procesním návrhem, termodynamickým výpočtem a analýzou parametrů zvolené varianty ICE+ORC. Je popsán vlastní proces přestavby systému chlazení ICE pro integraci ORC a závěrečné části byly naměřeny charakteristiky tohoto přestaveného ICE. Zařízení je připraveno na přechod k přímému chlazení organickým médiem. Závěrečná diskuze shrnuje zjištěné poznatky a přináší doporučení dalším návrhům ICE+ORC s přímým chlazením

The main goal of this thesis is the rebuilding of a gas stationary combustion engine (ICE) for the integration of a bottoming organic Rankine cycle (ORC). The purpose of the combination of technologies is the additional production of electricity from the waste heat of the internal combustion engine. The problem, however, is the considerable technical complexity and capital intensity. Therefore, the work deals with the innovative concept of direct cooling of the motor housing with the working substance ORC. This configuration allows for a high utilization of waste heat from both cooling and exhaust, while eliminating auxiliary heat transfer circuits. In the beginning of this work, internal combustion engines are described from a technical and operational point of view. Emphasis is placed on sources of waste heat from ICE and its conventional use. Furthermore, alternative gaseous fuels and their impact on current and future energy are discussed, especially in the context of decentralized energy. A single chapter is devoted to the search of bottoming ICE systems with emphasis on ORC. Possible ICE+ORC concepts are introduced and their advantages and disadvantages are described. The experimental part of the work first deals with determining the characteristics of a small cogeneration unit. It continues with process design, thermodynamic calculation and analysis of parameters of the selected ICE+ORC variant. The actual process of rebuilding the ICE cooling system for ORC integration is described and the characteristics of this rebuilt ICE were measured in the final part. The device is ready for the transition to direct cooling with an organic medium. The final discussion summarizes the findings and makes recommendations for further proposals of ICE+ORC with direct cooling.