Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Od matematických modelů k domácí elektrárně
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Od matematických modelů k domácí elektrárně

Technici znají organický Rankinův cyklus (ORC) již od 19. století, ale až donedávna se nedařilo pro něj nalézt praktické využití. V posledních letech se na využití principu ORC zaměřili v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB). Výzkum tepelných cyklů s nízkým výkonem se jevil jako perspektivní v oblasti mikrokogenerace a využití odpadního tepla. Zvýšený zájem o ORC souvisel především s vývojem „domácí“‎ mikroelektrárny WAVE, která nyní již úspěšně „běží“‎ ve zkušebním provozu.


Jednou z hlavních komponent v cyklech jako ORC je expandér. (Zdroj: UCEEB)

Jednou z hlavních komponent v cyklech jako ORC je expandér. Výzkumu a vývoji lamelového expandéru se na Fakultě strojní ČVUT v Praze věnuje Václav Vodička již od svých bakalářských studií. Vloni v disertační práci předložil experimentálně ověřený matematický model lamelového expandéru. Na následujících řádcích popisuje některé detaily z vývoje tohoto zařízení.

Rozdíly tepelného oběhu v teplárnách a ORC

Oba tepelné oběhy fungují prakticky na stejném principu, ale zásadní rozdíl je v použití organických látek namísto vody. Organických pracovních látek je celá řada a můžeme z nich vybírat podle aktuálních požadavků. Různá chladiva mohou mít výrazně nižší výparné teploty, proto se dají nasadit v aplikacích, kde chceme využívat teplo o nižších teplotách. Na UCEEB se naopak zaměřují na vysokoteplotní ORC, kde jsou vhodnější teplotně stabilnější organické látky, např. siloxany. Další odlišností univerzitního ORC je naprosté zjednodušení celého cyklu, minimalizace počtu komponent a výrazně nižší tepelný i elektrický výkon. Jedním z cílů UCEEB je vývoj technologie ORC malého výkonu, která je mobilní, zcela autonomní a má příznivou investiční návratnost.

Řez expandérem. (Zdroj: UCEEB)

Nový model lamelového expandéru

Lamelový expandér pro ORC není komerčně dostupné zařízení. V komerčních aplikacích se můžeme s lamelovými expandéry setkat např. v podobě pneumatických motorů pro ruční nářadí. Zde jsou však na ně kladeny zcela jiné požadavky. Lamelový expandér pro ORC byl vyvinut prakticky od nuly a v současné době se jedná již o několikátou verzi návrhu. Ruku v ruce s vývojem po stránce konstrukce šel i vývoj vlastních používaných matematických modelů, které sloužily k popisu chování expandéru i k jeho návrhu. Aktuální nejpokročilejší model se liší od ostatních dosud známých modelů především zohledněním možnosti dočasné ztráty kontaktu lamel se statorem a také přesnější predikcí tohoto jevu. Jedná se o jev typický pouze u lamelových expandérů, který však dokáže zásadně negativně ovlivnit účinnost nejen samotného expandéru, ale také celého cyklu. O tento matematický model se opírá i vlastní sestavená metodika termodynamického návrhu lamelového expandéru pro tepelné cykly s nízkým výkonem.

Model rotoru s lamelou. (Zdroj: UCEEB)

Role matematických modelů při vývoji

Význam matematických modelů při vývoji expandéru byl zásadní. Je pravda, že úplně první model byl natolik zjednodušený, že zanedbal jeden z nejdůležitějších parametrů (objemovou účinnost stroje) a byl v určitých ohledech příliš optimistický, což nakonec vedlo ke špatnému návrhu expandéru, který jsme na UCEEB nebyli schopni ani rozběhnout. Důvodem byla tehdy i jeho samotná konstrukce. Druhá verze expandéru byla již v mnoha ohledech lepší. Samotný matematický model, který jsem dlouho používal v návrhu i při zpětné analýze, však nahlížel na expandér zvenčí. Aktuální model je již podstatně pokročilejší a popisuje děje probíhající uvnitř expandéru. Uvažuje se všemi vnitřními netěsnostmi a pomocí bilančního modelu pracovní komory predikuje tlak v komoře v závislosti na úhlovém natočení rotoru. Součástí tohoto výpočtu je také zjednodušený model třecích ztrát lamel a ložisek. Na tento termodynamický model musel autor navázat ještě vlastním dynamickým modelem lamel. Ten popisuje a bilancuje veškeré síly, které na lamelu během otáčení rotoru působí. Tento dynamický model pak umožňuje analyzovat chování lamel v expandéru. Modely byly ještě doplněny zjednodušeným modelem interakce mezi lamelovým expandérem a výměníkem pro přívod tepla do cyklu. Podobný přístup k analýze objemových expandérů není běžný, ale zase má blíže k reálné aplikaci. Kvalitní matematický model tak pomáhá neustále zlepšovat parametry expandéru i celého zařízení s ORC.

Ověření výsledků z modelů

Pro ověření výsledků z matematických modelů proběhla série experimentálních měření na konstrukci lamelového expandéru, který jsem navrhl. Expandér se provozoval v rámci experimentálního kogeneračního zařízení s ORC na UCEEB. Matematické modely musely být nejdříve kalibrovány, což znamená nalezení určitých obecných parametrů, které nejsou předem známé. Následné experimenty pak potvrdily, že je model schopen s dobrou přesností predikovat chování expandéru i v oblastech mimo kalibrační data. Už během kalibrace byla indikována ztráta kontaktu lamel a statoru, a tak se další experimenty zaměřily také na tuto oblast a ověřily prediktivní možnosti dynamického modelu lamel.


 

Schéma proudění v lamelovém expandéru. (Zdroj: UCEEB)

Pokračování disertační práce

Práce na vývoji lamelového expandéru rozhodně nekončí. Navrhl jsem obecný postup pro návrh lamelového expandéru s využitím matematických modelů, který bude dál využíván. Samotný matematický model lamelového expandéru bude dál rozvíjen, neboť práce v oblasti ORC nekončí. Jako výzkumný pracovník univerzitního centra (UCEEB) se budu dál podílet na vývoji zařízení WAVE. Aktuálně je ve stavbě jednotka s tepelným výkonem 120 kW při elektrickém výkonu cca 7 kW. WAVE pokládám za perspektivní zdroj tepla s bonusem v podobě výroby elektřiny v souladu s trendem decentralizované energetiky.

Ladislav Lašek

https://www.fs.cvut.cz/

Další články

Inovace
Zajímavosti ve vědě a technice
Výzkum/ vývoj
Hydraulika/ hydraulické prvky
Energetické strojírenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: