Μικρά (1–10kW) και πολύ μικρά (0.1–1kW) συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργούν με βάση τον Οργανικό Κύκλο Rankine χρησιμοποιούνται σήμερα σε τοπική ή οικιακή κλίμακα. Στην αρχή του 2015 η εταιρία Heliix εισήγαγε ένα νέο θερμοδυναμικό κύκλο ως βελτίωση του Οργανικού Κύκλου Rankine, ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για να αναπτυχθεί μια σειρά από προϊόντα ανάκτησης θερμότητας. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός συστήματος αποκλειστικά για ανάκτηση ενέργειας από μια μόνο πηγή είναι αρκετά δύσκολος. Πέρα από την θερμοδυναμική προσέγγιση, θα πρέπει επίσης να επιλεχθεί ένα κατάλληλο εργαζόμενο μέσο σε συνδυασμό με τον αντίστοιχο εκτονωτή. Oι ογκομετρικές μηχανές μπορούν να υιοθετηθούν σε αντικατάσταση των στροβιλομηχανών, σε μικρής κλίμακας εφαρμογές, όπως για παράδειγμα εφαρμογές οικιακής συμπαραγωγής ηλεκτρισμού - θερμότητας. Η συνήθης επιλογή για αυτές τις εφαρμογές είναι ελικοειδείς (scroll) ή κοχλιωτοί (screw) εκτονωτές. Ωστόσο, οι εκτονωτές αυτού του τύπου είναι πολύπλοκοι και ακριβοί στην κατασκευή. Οι περιστροφικοί (rotary) εκτονωτές είναι μηχανικά απλούστεροι και φθηνότεροι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται και περιγράφεται ο σχεδιασμός πολυβάθμιου περιστροφικού πτερυγιοφόρου εκτονωτή ψυκτικού αερίου μέσου υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας (R245fa), για εφαρμογή σε εγκαταστάσεις ανάκτησης θερμότητας χαμηλής και πολύ χαμηλής ισχύος. Συγκεκριμένα, ο εκτονωτής αναπτύχθηκε με σκοπό να καλύψει τις προδιαγραφές λειτουργίας της συσκευής PhaethonΤΜ, μιας μονάδας ανάκτησης θερμότητας οικιακής κλίμακας που αναπτύσσεται από την εταιρεία Heliix, ιδρυτής της οποίας είναι ο συγγραφέας της εργασίας. Ως εκ τούτου, ο πυρήνας αυτής, αφορά την επίτευξη υψηλών επιδόσεων και ομαλής λειτουργίας του εκτονωτή, με το ελάχιστο δυνατό κόστος κατασκευής. Για την υλοποίηση αυτού του στόχου, ο σχεδιασμός που προτείνεται διαφέρει από τις υπάρχουσες λύσεις που επικρατούν μέχρι σήμερα, στην βραδέως εξελισσόμενη περιοχή της σχεδίασης εκτονωτών ψυκτικών μέσων μικρής ισχύος. Η προσέγγιση που υιοθετήθηκε αφορά την ελαχιστοποίηση των κινούμενων μερών, την επίτευξη ικανοποιητικού λόγου πιέσεων, την εξάλειψη των ταλαντωτικών φαινομένων κατά τη λειτουργία και την εξομάλυνση του παλμού παροχής της μηχανής. Στο κείμενο που ακολουθεί αναπτύσσονται εκτενώς τα χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού και δικαιολογούνται οι αποφάσεις που λήφθηκαν. Στην συνέχεια, προς επιβεβαίωση της αξιοπιστίας της λειτουργίας παρατίθενται έλεγχοι που έγιναν αναφορικά με τα στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά των κεντρικών στοιχείων της μηχανής. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτήν την διαδικασία και προτείνονται σχέδια μελλοντικής επέκτασης του σχεδιασμού.
(EL)
Small (1–10kW) and micro (0.1–1kW) electric power production systems that are based on Organic Rankine Cycle, are used in regional and domestic scale applications. In early 2015, Heliix, Inc introduced a new thermodynamic cycle as an improvement of the Organic Rankine Cycle, which can be used to develop a series of waste heat recovery products. Design and recovery of a system exclusively for waste heat recovery from a single energy source is quite a demanding process. Apart from the thermodynamic approach, a suitable working fluid must be chosen, in combination with a compatible fluid expander. Volumetric machines can be adopted as a substitution of turbo machinesin small scale applications, such as residential thermal energy and electricity co-generation systems. Common choice for this kind of applications include scroll and screw expanders. However, construction of expanders of these types is complex and usually costly. Rotary expanders are usually cheaper and simpler to assemble. The present thesis describes the design process of a multi-stage rotary single-vane expander that operates with a high operating temperatures refrigerant, as the working medium (R245fa). The target was for the expander to be compliant for use into low-power waste heat recovery applications. Specifically, the expander was developed to meet the operational requirements of PhaethonTM, a household scale heat recovery unit, developed by Heliix, a company whose founder is the author of this thesis. Therefore, the main part of this thesis is consisting of research on new ways of achieving higher performance and smoother operation of the expander, when compared to other expander designs at the lowest possible manufacturing cost. To achieve this goal, the proposed design differs significantly from existing solutions in the slowly evolving area of small scale expanders for refrigerants. The problem was approached by the scope of minimizing moving parts, achieving adequate pressure ratio, eliminating the oscillatory phenomena during operation and smoothen the flow rate profile of the machine. In the text below, elaboration on the design features and justification of the design choices taken is taking place, followed by cross-checking of the static and dynamic parameters of the main elements of the machine as a confirmation of the reliability of its functionality. At the end, conclusions drawn from this process are presented and suggestions for future design optimization are proposed.
(EN)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
