dr inż. Piotr Lis
A study of a positive displacement machine application in the supercritical carbon dioxide Brayton cycle
Promotor: |
|
prof. dr hab. inż. Jarosław Milewski |
|
Promotor pomocniczy: |
|
|
|
Recenzenci: |
|
|
dr hab. inż. Łukasz Bartela, prof. Pol. Śl. – Politechnika Śląska |
|
Dziedzina: |
|
| nauki techniczne / nauki inżynieryjno-techniczne | |
Dyscyplina: |
|
| energetyka / inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka | |
Streszczenie:
Rozprawa prezentuje wyniki badań na temat zastosowania maszyny wyporowej w nadkrytycznym obiegu dwutlenku węgla pracującym w cyklu Braytona. Maszyny takie stanowią alternatywę do konwencjonalnych maszyn wirnikowych.
Nadkrytyczne obiegi dwutlenku węgla są nową, perspektywiczną technologią konwersji energii cieplnej na mechaniczną. Mogą być stosowane w energetyce konwencjonalnej, odnawialnej lub w układach odzysku ciepła odpadowego. Oferują wysoką sprawność przy niewielkich rozmiarach urządzeń. Turbogenerator jest w tych obiegach kluczowym elementem wpływającym na wydajność i koszty układu. Maszyna wyporowa została zaproponowana jako alternatywa dla konwencjonalnych maszyn wirnikowych w aplikacjach o małej mocy. Technologia ta może oferować podobną wydajność do maszyn wirnikowych przy niższych kosztach urządzeń. Maszyna łopatkowa została wybrana do szczegółowych analiz.
Badania przeprowadzono na przykładzie system odzysku ciepła odpadowego bazującego na nadkrytycznym obiegu dwutlenku węgla. Analiza termodynamiczna obiegu została wykorzystana do zdefiniowania optymalnych parametrów pracy turbiny i kompresora. Celem optymalizacji była maksymalizacja sprawności i współczynnika odzysku ciepła odpadowego. Na bazie wyników zaproponowana została nowa strategia optymalizacji turbogeneratora.
W ramach rozprawy stworzono dokładne modele geometryczne, kinematyczne i termodynamiczne kompresora i ekspandera łopatkowego. Modele zostały sparametryzowane i zoptymalizowane pod kątem zdefiniowanego punktu pracy. Kluczowe elementy urządzenia zostały przeanalizowane szczegółowo. Charakterystyki pracy kompresora i ekspandera zostały następnie przeanalizowane na poziomie systemu i komponentów.
Wyniki analiz i symulacji pokazały, że opracowana w ramach rozprawy maszyna wyporowa zastosowana w nadkrytycznym obiegu dwutlenku węgla spełnia postawione w tezie wymagania. Modele należy jednak porównać z danymi eksperymentalnymi, jako że nie uwzględniają strat tarcia i przecieków.
Rozprawa doktorska dokumentuje także cały proces rozwoju maszyny wyporowej pod kątem zastosowania w nadkrytycznym obiegu dwutlenku węgla.