Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

This Master’s thesis is a part of the research made in Lappeenranta University of Technology for the FCEP project. The aim of this research is to study the utilization of waste heat in the charge air of internal combustion engine. The goal is to study the conversion of medium temperature waste heat into electricity with Rankine-process. In this research the selected motor type is the Wärtsilä 4R32 engine. The calculations were performed by parameters given by the engine manufacturer. The basic idea of this research was to utilize the medium temperature waste heat by using a steam process or an ORC-process. 12 different working fluids were compared in this study. The effects of different working fluids on the electrical efficiency, on the power output and on the process’s pressure levels have been carried out. Based on the comparison of the working fluids four working fluids were selected for the demo plant. The demo plant’s heat exchangers and piping were also planned for the selected working fluids. Based on the results of this thesis, the engine electricity production increase was 1,77 %. This master’s thesis gives valuable information about utilizing medium temperature waste heat from internal combustion engines charge air.