Projektowanie i badania domowej mikrosiłowni kogeneracyjnej ORC

Design and experimental investigation of the cogenerative domestic micro power plant with ORC system

Grzegorz Żywica, Jan Kiciński, Tomasz Kaczmarczyk, Eugeniusz Ihnatowicz | 30-06-2015

Mechanik nr 07/2015 - Artykuły z XIX Międzynarodowej Szkoły Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji zamieszczone płycie CD

STRESZCZENIE: W artykule omówiono koncepcję konstrukcyjną, budowę oraz badania prototypowej mikrosiłowni kogeneracyjnej ORC (Organic Rankine Cycle), umożliwiającej wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej w warunkach domowych. Źródłem ciepła w mikrosiłowni jest kocioł na biomasę. Energia elektryczna jest wytwarzana przy pomocy specjalnie zaprojektowanej bezolejowej mikroturbiny parowej. Dzięki zastosowaniu łożysk gazowych zasilanych czynnikiem roboczym opracowany turbogenerator ma zwartą i hermetyczną budowę. W artykule zostały omówione również wybrane wyniki badań eksperymentalnych. Uzyskane wyniki dowiodły, że opracowany prototyp mikrosiłowni pracował zgodnie z założeniami projektowymi i przy mocy cieplnej kotła na poziomie 25 kW umożliwiał uzyskanie ponad 2 kW mocy elektrycznej.

SŁOWA KLUCZOWE: układy ORC, mikroturbiny, kogeneracja rozproszona.

ABSTRACT: This paper discusses the design concepts, construction and experimental investigation of the prototype of small CHP unit with ORC system. The source of heat is a boiler designed for biomass combustion. Electricity is generated using specially designed oil-free steam microturbine. The turbo-generator has compact structure and hermetical casing thanks to the use of gas bearings lubricated by working medium. The article also discusses selected experimental results conducted under laboratory conditions. The achieved results have shown that the developed energy system operated in accordance with design assumptions. Electricity derived from the prototype was around 2 kW, with boiler's thermal power of 25 kW.

KEYWORDS: ORC systems, microturbines, dispersed cogeneration.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

Kiciński J.: Do we have chance for small-scale energy generation? The examples of technologies and devices for distributed energy systems in micro & small scale in Poland, “Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences”, 61 (4), 749-756 (2013).
Qiu G., Liu H., Riffat S.: Expanders for micro-CHP systems with organic Rankine cycle, “Applied Thermal Engineering” 31, 3301-3307 (2011).
Wang W., Wu Y., Maa C., Liu L., Yu J.: Preliminary experimental study of single screw expander prototype, “Applied Thermal Engineering” 31, 3684-3688 (2011).
Declaye S., Quoilin S., Guillaume L., Lemort V.: Experimental study on an open-drive scroll expander integrated into an ORC (Organic Rankine Cycle) system with R245fa as working fluid, “Energy” 55, 173-183 (2013).
Hsu S.-W., Chiang H.-W.D., Yen Ch.-W.: Experimental Investigation of the Performance of a Hermetic Screw-Expander Organic Rankine Cycle, “Energies” 7, 6172-6185 (2014).
Fiaschi D., Manfrida G., Maraschiello F.: Thermo-fluid dynamics preliminary design of turboexpanders for ORC cycles, “Applied Energy” 97, 601-608 (2012).
Klonowicz P., Borsukiewicz-Gozdur A., Hanausek P., Kryłłowicz W., Brüggemann D.: Design and performance measurements of an organic vapour turbine, “Applied Thermal Engineering”, 63, 297-303, (2014).
Fiaschi D., Manfrida G., Maraschiello F.: Design and performance prediction of radial ORC turboexpanders, “Applied Energy” 138, 517-532 (2015).
Kaczmarczyk T., Ihnatowicz E., Bykuć S., Żywica G., Kozanecki Z.: Experimental investigation of the ORC system in a cogenerative domestic power plant with a microturbine and an expansion valve, ASME ORC 2013, 2nd International Seminar on ORC Power System, Rotterdam (The Netherlands) (2013).
Kiciński J., Żywica G.: Steam microturbines in distributed cogeneration, Springer, 2014.
Kozanecki Z., Tkacz E., Łagodzinski J., Miazga K.: Theoretical and experimental investigation of oil-free bearings and their application in diagnostics of high-speed turbomachinery, “Key Engineering Materials” 588, 302-309 (2014).
Kiciński J., Żywica G.: The numerical analysis of the steam microturbine rotor supported on foil bearings, “Advances in Vibration Engineering” 11(2), 113-120 (2012).
Kardaś D., Turzyński T., Wardach-Święcicka I., Ronewicz K.: Spalanie i wymiana ciepła w olejowym kotle na biomasę, Wydawnictwo IMP PAN, Gdańsk, 2014.
Kaniecki M., Henke A., Krzemianowski Z.: Agregaty pompowe w zastosowaniu do obiegów ORC mikrosiłowni kogeneracyjnych na czynnik niskowrzący, Wyd. IMP PAN, Gdańsk, 2013.
Mikielewicz D., Mikielewicz J., Ihnatowicz E., Muszyński T., Wajs J., Rybiński W.: Wybrane aspekty projektowania i badań wymienników ciepła dla obiegu ORC mikrosiłowni domowej, Wydawnictwo IMP PAN, Gdańsk, 2013.
Kozanecki Z., Kozanecka D., Klonowicz P., Łagodziński J., Gizelska M., Tkacz E., Miazga K., Kaczmarek A.: Bezolejowe maszyny przepływowe małej mocy, Wyd. IMP PAN, Gdańsk, 2014.
Stępień R.: Wybrane zagadnienia projektowania wielostopniowych mikroturbin osiowych, Wydawnictwo IMP PAN, Gdańsk, 2013.
Kiciński J., Żywica G., Kozanecki Z., Ihnatowicz E., Kaczmarczyk T., Turzyński T., Bykuć S., Niewiadomski J., Kardaś D.: Badania rozruchowe przed-prototypu mikrosiłowni kogeneracyjnej ORC, opracowanie wew. IMP PAN nr 196/2014, Gdańsk, 2014.