Surrogate Models Applied to Optimized Organic Rankine Cycles

Global optimization of industrial plant configurations using organic Rankine cycles (ORC) to recover heat is becoming attractive nowadays. This kind of optimization requires structural and parametric decisions to be made; the number of variables is usually high, and some of them generate disruptive responses. Surrogate models can be developed to replace the main components of the complex models reducing the computational requirements. This paper aims to create, evaluate, and compare surrogates built to replace a complex thermodynamic-economic code used to indicate the specific cost (US$/kWe) and efficiency of optimized ORCs. The ORCs are optimized under different heat sources conditions in respect to their operational state, configuration, working fluid and thermal fluid, aiming at a minimal specific cost. The costs of 1449.05, 1045.24, and 638.80 US$/kWe and energy efficiencies of 11.1%, 10.9%, and 10.4% were found for 100, 1000, and 50,000 kWt of heat transfer rate at average temperature of 345 °C. The R-square varied from 0.96 to 0.99 while the number of results with error lower than 5% varied from 88% to 75% depending on the surrogate model (random forest or polynomial regression) and output (specific cost or efficiency). The computational time was reduced in more than 99.9% for all surrogates indicated.

Investigation of power generating turbine characteristics for low enthalpy organic Rankine cycles

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται ο σχεδιασμός υπερηχητικού στροβίλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για Οργανικούς κύκλους Rankine (ORC) χαμηλής ενθαλπίας (≈100οC). Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ο σχεδιασμός καινοτομικών πτερυγίων τόσο για το στάτορα, όσο και για το ρότορα με τη χρήση των πιο σύγχρονων μεθόδων που εφαρμόζονται στην Αεροδιαστημική για το σχεδιασμό των υπερηχητικών ακροφυσίων των διαστημοπλοίων με τη χρήση καταστατικών εξισώσεων πραγματικών αερίων. Ο λόγος που γίνεται επιτακτική η ανάγκη σχεδιασμού υπερηχητικών πτερυγίων έγκειται στο γεγονός ότι τα οργανικά, όπως προκύπτει και από την ονομασία αυτών των συστημάτων, ρευστά χαρακτηρίζονται από χαμηλές τιμές της ταχύτητα του ήχου στο σημείο λειτουργίας. Έτσι για να επιτευχθεί μια ικανοποιητική απόδοση του στροβίλου ≥75%, απαιτείται μεγάλος λόγος πιέσεων κατά την εκτόνωση, δηλαδή απαιτείται ο στρόβιλος να βρίσκεται σε υπερηχητικές συνθήκες λειτουργίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος θερμοδυναμικών εξισώσεων, ο οποίος είναι ικανός να υπολογίζει την αξιοποιήσιμη ενέργεια της εκάστοτε διαθέσιμης θερμικής πηγής και να προτείνει στο χρήστη τη βέλτιστη διάταξη του οργανικού κύκλου Rankine καθώς και το καταλληλότερο εργαζόμενο μέσο δίνοντας έμφαση στη παραγόμενη ισχύ. Αφού καθοριστεί το εργαζόμενο μέσο, πραγματοποιείται η διαστασιολόγηση του στροβίλου και στη συνέχεια γίνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των πτερυγίων με βάση το ρευστό που έχει επιλεχθεί. Η σχεδίαση των πτερυγίων τόσο του στάτορα όσο και του ρότορα γίνεται με τη «μέθοδο των χαρακτηριστικών» για την ελαχιστοποίηση των απωλειών της ροής λόγω των υπερηχητικών κυμάτων. Τέλος, η ρευστοδυναμική μελέτη των πτερυγίων έλαβε χώρα για την εκτίμηση της απόδοσης του στροβίλου, ενώ κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη (water table) στο Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών και Στροβιλομηχανών με σκοπό την επαλήθευση των απωλειών μέσω της παρατήρησης των κυμάτων εκτόνωσης στα επιθυμητά σημεία ανάμεσα από τα υπερηχητικά πτερύγια. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε τόσο υπολογιστικά, όσο και πειραματικά μια καινοτόμα μέθοδος ανίχνευσης τυχόν διαρροών του εργαζόμενου μέσου, μιας και η προστασία του περιβάλλοντος αποτελούσε πρωταρχικό σκοπό της παρούσας διατριβής. Η συγκεκριμένη μέθοδος βασίστηκε στις ακουστικές εκπομπές (acoustic emissions) που διαχέονται στο περιβάλλοντα χώρο κατά τη διαρροή ενός ρευστού από κλειστό κύκλωμα. Τέλος, ανακαλύφθηκε ένα νέο εργαζόμενο μέσο που αποτελεί μείγμα δύο ευρέως διαδεδομένων οργανικών ρευστών, του ισοβουτανίου και του ισοπεντανίου, το οποίο σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, επιτρέπει τη θερμική απόδοση του κύκλου να φτάνει το 13.9% σε συνθήκες μέγιστης παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος με την απόδοση του μονοβάθμιου στροβίλου να αγγίζει το 82.65%.

Measurement of supercritical heat transfer to R125 in horizontal flow

Supercritical heat transfer has already been studied extensively, however, the majority of these studies focused on water or CO2. Data on refrigerants, which are used in for example transcritical or supercritical organic Rankine cycles or heat pumps, is scarce. Nonetheless, this data is crucial in order to size the heat exchangers used in these systems without significant overdimensioning. Therefore it is necessary to gain insight into the complex nature of supercritical heat transfer. For that purpose, experimental data on supercritical heat transfer to the refrigerant R125 is discussed in this work. Measurements were performed on a previously built test rig, where the refrigerant flowed in a horizontal tube with an inner diameter of 24.77 mm. Pressure, mass flux and heat flux were varied, and their influence on supercritical heat transfer was investigated. In general, heat transfer is enhanced for an increase in mass flux or decrease in heat flux, and no distinct effect of pressure on the heat transfer is measured.