Study and selection of an expander for a test bench of a micro-CHP system based on organic Rankine cycles

Abstract

Ao longo dos últimos séculos, a temperatura média do planeta tem vindo a aumentar exponencialmente, levando à intensificação de catástrofes naturais e destruindo vários ecossistemas. Este crescimento deve-se principalmente ao aumento das emissões de gases com efeito de estufa (GEE), tais como o CO2. Este crescimento pode ser explicado pela procura incessante de novas tecnologias associadas aos combustíveis fósseis como fonte de energia primária. É imperativo adoptar medidas para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e, com isso, diminuir as emissões de gases com efeito de estufa. Para além da utilização de sistemas baseados em energias renováveis, a utilização de dispositivos altamente eficientes também pode ser uma solução a curto prazo. Entre estes, destacam-se as tecnologias de produção combinada de calor e electricidade (PCCE). Esta tecnologia pode simultaneamente gerar energia térmica e eléctrica utilizando apenas uma fonte de energia. Embora esta tecnologia tenha atingido a maturidade em grande escala, faltam estudos sobre a microescala, e é necessária mais investigação. A implementação desta tecnologia em micro-escala pode beneficiar aplicações domésticas, e teria um impacto considerável uma vez que 28% do consumo final de energia foi gasto em aplicações residenciais europeias. Para aplicações domésticas, os sistemas CHP baseados no Ciclo de Orgânico Rankine (ORC) parecem ser a opção mais adequada.Com base nesta afirmação, o Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra (DEM-UC) implementou uma bancada de testes para estudar esta promissora tecnologia. Contudo, esta bancada tem algumas limitações e algumas peças em falta, tais como o expansor, que é actualmente emulado por uma válvula de estrangulamento. O expansor é um dos componentes mais relevantes, juntamente com o evaporador. Para este fim, os objectivos deste estudo são: i) o estudo e comparação dos diferentes tipos de expansores disponíveis; ii) a selecção do expansor adequado para a bancada de ensaio que, por sua vez, simula um sistema CHP residencial; iii) o desenvolvimento de um modelo termodinâmico simplificado do ORC que inclui os detalhes dos processos de expansão; iv) a concepção e selecção dos componentes dos dispositivos secundários requeridos pelo expansor seleccionado, tais como o seu sistema de lubrificação.Relativamente ao primeiro objectivo, uma das estratégias que está a ser praticada na comunidade científica é a implementação de compressores utilizados em aplicações HVAC ou em bombas de calor para funcionar em sentido inverso como expansor. Após uma investigação mais profunda, um expansor do tipo scroll hermético foi considerado a tecnologia mais apropriada para aplicar na bancada de teste. Em seguida, o compressor ZR61KRE-TFD da Copeland foi seleccionado para trabalhar como expansor. A fim de simular o comportamento termodinâmico do ORC, foi desenvolvido um modelo simples utilizando Matlab e um modelo semi-empírico para estudar em mais pormenor o expansor. Por último, concluiu-se que este expansor necessita de lubrificação. Para este efeito, foi desenvolvido um ciclo externo, para que o lubrificante não afecte os outros componentes do ciclo.

Over the last centuries, the planet’s average temperature has been increasing exponentially, leading to the intensification of natural disasters and destroying several ecosystems. This growth is mainly due to the growing greenhouse gas (GHG) emissions such as CO2. This growth can be explained by the incessant search for new technologies associated with fossil fuels as a primary energy source. It is imperative to adopt measures to reduce the dependence on fossil fuels and, with this, decrease GHG emissions. In addition to the use of renewable energy-based systems, the use of highly efficient devices can also be a solution for a short-term period. Among these, Combined Heat and Power (CHP) technologies stand out. This technology can simultaneously generate thermal and electrical energy using only one energy source. Although this technology has reached maturity on a large scale, studies on the micro-scale are lacking, and further investigation is needed. Implementing this technology on a micro-scale can benefit domestic applications, and it would have a considerable impact since 28% of the final energy consumption was spent on European residential applications. For household applications, the CHP systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) appear to be the most adequate option.Based on this statement, the Mechanical Engineering Department of the University of Coimbra (DEM-UC) implemented a test bench to study this promising technology. However, this bench has some limitations and a few missing parts, such as the expander, which is currently emulated by a throttling valve. The expander is one of the most relevant components, along with the evaporator. For this purpose, the objectives of this study are: i) the study and comparison of different types of expanders available; ii) The selection of the proper expander for the test bench that, in its turn, simulates a residential CHP system; iii) Develop of a simplified thermodynamic model of the ORC that includes the details of the expansion processes; iv) Design and components selection of the secondary devices required by the expander selected such as its lubricating system.Regarding the first objective, one of the strategies being implemented in the scientific community is the application of HVAC or heat pump compressors to operate in reverse as an expander. After deep research, a hermetic scroll was considered the most appropriate technology to apply to the test bench. Then the compressor ZR61KRE-TFD from Copeland was selected to work as an expander. In order to simulate the thermodynamic behaviour of the ORC, it was developed a simple model using Matlab and a semi-empirical model to study in more detail the expander. Lastly, it was concluded that this expander needs lubrication. For this purpose, an external cycle was developed, so the lubricant does not affect the other components.