Blog

Principem ORC energetické jednotky je cyklus parostrojního zařízení, kde je pracovní látkou organické médium, které přijímá teplo z vnějšího zdroje do uzavřené smyčky. Zařízení konvertuje tepelnou energii na mechanickou práci, která může být využita k výrobě elektřiny nebo k pohonu dalších zařízení (např. kompresoru chlazení) Pracovní médium prochází v průběhu cyklu fázovými změnami.

Jako pracovní medium jsou nejčastěji používaná chladiva, která umožní využití nízko potenciální teplo, z libovolného zdroje energie, a to jak z primárního zdroje, tak i odpadního tepla. Potom se jedná o obnovitelný zdroj s nulovými emisemi a s univerzálním využitím.

Cílem našeho projektu je vývoj mikro ORC kogenerační jednotky s výkonem 1,5 a 5 kW.

Využití mikro ORC jednotek

V případě mikro kogenerace se jedná o výkony do 50 kWe. Principem kogenerace je výroba jak tepelné, tak elektrické energie, a to jak z primárních, tak sekundárních zdrojů. V případě primárních zdrojů nám umožní pokrýt lokální spotřebu elektrické energie, sníží nám přenosové ztráty a umožní provoz v nezávislém ostrovním systému. Jedná o vysoce efektivní proces využití primární energie s účinností až 95 %.

V případě odpadního tepla je možno zpracovávat zbytkové teplo ze spalin kotlů na biomasu, procesní teplo z potravinářských, dřevařských, sklářských a chemických provozů nebo klasických spalovacích motorů, sloužících k pohonu kompresorů nebo energetických centrál.

Specifika navrženého řešení

Hlavním kritérium našeho přístupu k návrhu mikro kogenerační ORC jednotky bylo dosažení co největší účinnosti celého zařízení a nízké výrobní náklady pro produktivní výrobu. Vyplývá to z ekonomické výhodnosti těchto energetických zařízení malých výkonů, kde návratnost vložené investice je na hranici rentability. Potřebovali jsem tedy navrhnut takové zařízení, které by mělo vysokou účinnost pro výrobu elektřiny, a přitom bylo levné.

Hlavní komponenty, na které jsme se zaměřili byla volba použitého expandéru a volba vhodného pracovního media.

Cílem byl vývoj mikro kogenerační jednotky s výkonem 1,5 a 5 kW.

Návrhové a výkonové parametry jednotky 1,5 kW:

Mikro turbinka

Největší pozornost byla věnována volbě a návrhu expandéru. Potřebovali jsem docílit co největší účinnosti v co nejširším pracovním rozsahu teplot a průtočného množství páry a zároveň jsme potřebovali co nejkompaktnější rozměry, abychom celou ORC jednotku mohli dodávat v kombinací s kotly na biomasu o výkonu 25 kW, obr. 2. Nakonec jsme zvolili jednostupňovou mikro turbinku s axiálním uspořádáním, parciálním ostřikem a akčním oběžným kolem.

V současnosti běží projekt na implementaci ORC jednotky společně s kotlem na peletky o výkonu 25 kW a bateriovým úložištěm. ORC jednotka bude dodávat 1,5 kWe konstantníh elektrického výkonu.
 

Agregát mikro turbinky jsme navrhli v unikátním uspořádání podléhající užitnému vzoru.  Agregát zahrnuje samotnou turbínku se vstupní spirálou, dýzami parciálního ostřiku, oběžným kolem s vyrovnávacími otvory a výstupním difuzorem.

Hřídel turbinky je spojena s převodovkou generátoru nebo alternátoru elektromagnetickou spojkou. Elektromagnetická spojka obsahuje přepážku, která hermeticky odděluje okruh chladiva od okolního prostředí a předurčuje celý agregát k automatickému a bezúdržbovému provozu. Kuličková ložiska jsou mazána chladivem a není potřeba žádných servisních zásahů.

Volba vhodného chladiva

Chladivo může svými termodynamickými vlastnostmi silně ovlivnit účinnost celého cyklu. Termodynamická účinnost závisí na interakci termodynamických vlastností media jako jsou kritický bod, specifické teplo, hustota apod. Vysoká hustota páry nám zajistí menší objem, a tedy i rozměry zařízení, nízká viskozita potom znamená lepší přenos tepla a nižší třecí ztráty, nižší odpařovací tlak nám potom usnadní konstrukci zařízení. Důležitou vlastností média je také stabilita při vyšších teplotách (vyloučení degradace) a dále bezpečnost a toxicita media a hořlavost. V poslední době je také velká pozornost věnována vlivu media na životní prostředí GWP (Kjotó, Montreal protokol a Pařížské dohody). V neposlední řadě je neméně důležitá dostupnost a cena media. Pro námi používaný rozsah teplot jsme zvolili chladivo R245fa které jsme nakonec nahradili ekologickou verzí chladiva R1233 ZD (E).

Popis zkušebního okruhu ORC jednotky

Zkušební zařízení mikro kogenerační jednotky 1,5kWe bylo provozováno v kombinaci s elektrokotlem o tepelném výkonu 18 kW, který dodával do parního přehříváku vodu o teplotě 100⁰ C. Pára, která se následně zpracovávala v mikro turbíně kondenzovalo v kondenzátoru, chlazeném vzduchem a odtud byla opět čerpadlem přes rekuperátor dodávána do parního přehříváku.

Digitální prototyp mikro turbíny s elektromagnetickou spojkou

Vývoj celého agregátu ORC mikro turbíny s generátorem byl proveden za důsledného uplatnění metod digitálního prototypování.
Vstupní hodnoty pro návrh proudové části mikro turbíny:


Kompletní proudový návrh byl proveden pomocí CFD systému STAR CCM+ a optimalizačního engine Simcenter HEEDS za využití asistenčního systému Sherpa pro volbu nejvhodnější kombinace optimalizačních metod.

Dále byla provedena statická a dynamická kontrola oběžného kola a elektromagnetické spojky. Kritickým se v průběhu vývoje ukázal návrh elektromagnetické spojky pro vysoké provozní otáčky až 35.000/min. Bylo nutno využít vysoko pevnostních materiálů pro návrh těles spojek a speciální uchycení magnetů, vzhledem k vysokým napětím od odstředivých sil. Veškeré statické výpočty byly provedeny pomocí FEA metody v programu Simcenter 3D.

Na kontrolu dynamiky dvou hmotové soustavy oběžného kola a spojky byly použity řešiče NX Nastran,
 

Výroba prototypu

Výroba komponent agregátu ORC mikro turbíny byla provedena za důsledného využívání metod 3D tisku pro tvorbu pracovních maket agregátu a dále také funkčních dílů forem skříně turbiny. Průtočné části turbíny byly finálně opracovány 5-tiosým obráběním.

Experimentální měření

Měření probíhala na zkušebně, kde jako zdroj odpadního tepla byl použit teplovodní elektrický kotel o výkonu 18 kW.

Agregát ORC mikro turbinky:

Celá ORC jednotka:

Prototyp byl osazen každý více než 30 měřicími místy pro sledování fyzikálních veličin jako tlaky, teploty, otáčky turbíny, průtoky pracovního media, chladicí vody, hladiny ve výparnících atd. Z obr.9 je patrné osazení obou turbín snímači a vyvedení signálů na sub panel konektorů k napojení na centrální řídící systém (regulace, sběr dat). Jednotka ORC  byla kompletně vyvinuta, převážně vyrobena ve spolupráci se společností MCAE Systems. Kompletace okruhu, propojení potrubí a náplně pracovní látkou (chladiva R1233zd(E)) vč. dodávky měřicí ústředny a zapojení čidel proběhla ve spolupráci s externím partnerem způsobilým pro práci s chladivy.
Za účelem měření výkonových charakteristik byla v MCAE Systems rovněž vyvinuta elektrická zátěž (spotřebič elektrické energie) s proporcionálním řízením příkonu, který pokrývá potřebný rozsah výkonů.

 

Výsledky zkoušek potvrdily, že zvolená cesta koncepce ORC jednotky (viz podaný UV) je správná. V této souvislosti je třeba pokračovat v nastoupeném trendu a ještě více rozvinout potřebnou infrastrukturu technickou i personální, naplánovat rozsáhlý program zkoušek s využitím stávajících velmi hodnotných poznatků a rovněž nových příležitostí v oblasti rapid prototyping, např. tisk z kovu, který máme k dispozici apod.
Zkoušky ověřily výkonové parametry, účinnosti turbíny, celkové účinnosti okruhu atd. při různých předpokládaných režimech provozu. Dále je potřeba realizovat dlouhodobé zkoušky životnosti a spolehlivosti se sledováním opotřebení komponent jednotky pro získání poznatků k dalšímu vylepšení funkčnosti a životnosti jednotky pro plné komerční využití.
Celkové výsledky chování prototypů potvrzují dosažení předpokládaných parametrů v oblasti mikro kogenerace.

Do budoucna je potřeba pro další vývoj jednotky na principu ORC také vzít v úvahu i rozmanitost možných aplikací a tedy řady variant uspořádání a využití jednotky a s tím souvisejících vývojových prací.

Koncovým zákazníkům bude nový produkt nabízen prostřednictvím vlastních obchodních aktivit TechSim Engineering i ve spolupráci s obchodními partnery.