Contribution to Advanced Waste Heat Recovery Techiques on Ship's Propulsion Plants

Resum

Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituír por VII Resumo Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituir por vii estratexias de deseño alternativo ou polo menos poderíanse paliar mediante a redución emisións de dióxido de carbono, que se poderían conseguir cambiando as estratexia, deseño de tecnoloxía e metodoloxías operativas. A tecnoloxía de recuperación de dispoñible que se pode empregar para sistemas de recuperación de calor residual (WHR'. grao medio ou baixo é un tal medio que é tecnoloxicamente capaz de diminuir as emisiór dióxido de carbono, así como de reducir significativamente o consumo de combustible. obedece a que é posible unha mellara significativa da eficiencia dos sistemas de propu mariña xa que contribúe á redución do consumo de combustibles fósiles do secta transporte marítimo en xeral. A mellara mencionada pódese aproveitar usando a calor residual esgotada e/ ou rexei polo sistema de propulsión e os seus motores auxiliares asociados. A tecnoloxía convenc ata o de agora optaba polo aproveitamento dos gases de combustión do escape, xa quE se podía usar calor a temperatura máis baixa. Convencionalmente, a tecnoloxía de punta neste campo usa ORC avanzados en " estruturas combinativas como unha das diferentes tecnoloxías WHRS que se , empregando para o aproveitamento de calor de medio e/ ou baixo grao residual polo sis de propulsión que non pode ser empregado polos propulsores. Por outra banda, a redución do consumo de combustible, que significa aumentar a efici térmica sometida á redución das emisións de dióxido de carbono, debe mellorarse na m do posible, baseado en que este criterio é o suficientemente relevante como para empr, o desenvolvemento de tecnoloxías dirixidas a mellorando a eficiencia térmica dos me térmicos empregados ata o de agora. Non obstante, nesta tese investígase un novo paradigma de WHR co obxectivo de aurr a eficiencia térmica que se reduce o consumo de combustibles fósiles e as emisións de di de carbono. Estas mellaras están asociadas ás seguintes contribucións propostas e realizadas nesta • Recuperación de calor de baixa temperatura mediante o deseño dunha estrut1 recuperación capaz de recuperar a calor residual de temperaturas medias e rexeitadas ata o momento, procedentes de gases de escape, refrixerador de 2 viii admisión, refrixerador de auga de camisas, e refrixerador de aceite de lubricación. • Motores térmicos máis eficientes mediante o deseño de análise e realización dunha proba de concepto de ciclos térmicos baseados en procesos pechados que accionan engadindo e extraendo calor sometido a un modo de interacción calor-traballo innovador. Ademais, os motores térmicos propostos caracterizanse por un ciclo térmico realizable físicamente composto por dous procesos isocóricos pechados consistentes na adición e extracción de calor cara / dende o fluido de traballo e dous procesos adiabáticos pechados que provocan un traballo mecánico útil, consistente respectivamente por unha expansión adiabática pechada e compresión adiabática pechada a base de contracción do fluido de traballo. Os principais resultados son: • Unha arquitectura de potencia capaz de converter a calor de baixo grao en traballo mecánico cun factor de utilización superior a calquera tecnoloxia dispoñible ou teórica. • Un ciclo térmico que supera calquera outro ciclo para calor de baixo grao en termos de eficiencia e factor de utilización.