Analyse av energi, eksergi og eksergoøkonomi for en stempelmotorbasert CHP-enhet kombinert med en organisk Rankine-syklus (ORC)

Abstract

Waste heat recovery is a concept that is relevant for reducing consumption and emissions from thermal machinery. Waste heat recovery can performed in two ways: by Combined Heat and Power production (CHP) or Waste Heat Recovery (WHR) where heat is excess heat is converted to power through a heat engine.Micro-CHP can be used in residential and office buildings. The tendencies in residential buildings is that the demand for electricity is increasing while the demand for heat is decreasing. By combining a CHP-unit and a WHR-unit, it should be possible to increase the electrical output from the CHP- unit by using its produced heat. In this thesis, energy, exergy and exergoeconomic analysis has been performed for an existing CHPunit with an imagined WHR-unit attached. The power- producer in the CHP-unit, a piston engine, was simulated using an iterative model based on empirical relations from real-process analysis. Analysis of energy, exergy and exergoeconomics was the performed on the CHP-unit, the unit's components and the ORC was performed using spreadsheet models. The models where based and measurements from 2007 and measurements performed by the author in 2015. Two configurations of the ORC was analysed: 1) connected to the piston engines exhaust, and 2) connected to the CHP-units cooling water. The energy analysis showed that the engine at full effect produces 13,27kW electricity and 25,29kW heat with 29% and 55% efficiencies respectively. The total efficiency is 84 %. The exergy analysis showed that of the internal components of the CHP-unit the piston engine has the highest rate of exergy destruction. It also has one of the lowest exergy efficiencies, only after the CHPunit in total (63% and 45 %). The exergoeconomic analysis showed that the system with an ORC attached produced an exergy in the formof electricity and hot water at a lower exergy specific price than the system without an ORC. For future work it is recommended that the work with completing the CHP-unit and its instrumentation is continued and that the thermodynamic models that where created for this thesis are further refined. It is also recommended that building the ORC be attempted.

Spillvarmeutnyttelse er et prinsipp som er stadig mer aktuelt i reduksjon av forbruk og utslipp fra termiske maskiner. Spillvarmeutnyttelse kan i hovedsak utføres på to måter: kombinert kraft og varmeproduksjon (CHP), hvor varme fra kraftproduksjon samles og brukes til romoppvarming eller oppvarming av vann, ellerWaste Heat Recovery (WHR), hvor spillvarme fra en prosess konverteres til kraft gjennomen varmekraftmaskin. Mikro-CHP brukes i private husstander og forretningsbygg. Tendensen i husstander er at varmebehovet går ned og elektrisitetsbehovet går opp. Ved å kombinere CHP og WHR kan det mulig produseres mer elektrisitet ved å konvertere varmen fra en CHP-enhet med en WHR-enhet. I denne oppgaven er det utført analyse av energi, eksergi og eksergoøkonomi for en eksisterendeCHPenhet tilkoblet en tenkt ORC-krets. CHP-enhetens kraftprodusent, en stempelmotor, ble simulert med en iterativ beregningsmodell basert på modeller fra reell prosessanalyse. Videre ble analyse av energi, eksergi og eksergoøkonomi for CHP-enheten, CHP-enhetens komponenter og ORC-kretsen utførtmed regnearkmodeller. Beregningene ble utført på basis av tidligeremålinger og egnemålinger av CHP- enhetens ytelse. Applikasjon av ORC ble undersøkt i to konfigurasjoner: 1) tilkoblet kjølevannsrør etter utgang av CHPenheten og 2) tilkoblet eksos i stedet for eksosgassvarmeveksleren som er der i dag. Fra energianalysen kom det blant annet frem at CHP-enheten ved full effekt produserer 13,27kW elektrisk effekt og 25,29kW varme, tilsvarende en elektrisk virkningsgrad på 29 %, en varmevirkningsgrad på 55% og en total virkningsgrad på 84 %. Av eksergianalysen kom det frem at av CHP- enhetens viktigste indre komponenter er eksergiødeleggelsen størst i stempelmotoren. Eksergivirkningsgraden var også nest dårligst for stempelmotoren (63 %) etter CHP-enheten som en helhet (45 %). Av den eksergoøkonomiske analysen komdet frem at elektrisitet og varme produseresmed en lavere eksergispesifikk kostnad dersomen ORC-enhet tilkobles CHP-enheten, 6,16 mot 6,01 kr/kWh. For videre arbeid anbefales det på kort sikt å ferdigstille måleoppsettet til et mer tilfredsstillende nivå og å utforske muligheter for utbedring av de termodynamiske modellen som er dannet for denne oppgaven. På lang sikt anbefales det blant annet å forsøke å bygge en ORC-krets som kan tilkobles enheten.