Safety Aspects of Organic Rankine Cycles (ORC) with Combustible Working Fluids
Abstract
Trass i at organiske Rankine-syklusar (ORC) har eksistert ei stund, er det lite forsking på slike syklusar der subatmosfærisk trykk blir brukt. Subatmosfærisk trykk opnar for høgare trykkforhold som igjen gjev høgare verknadsgrad. Slike trykk er unngått då det er risiko for forbrenning dersom det trengjer luft frå omgjevnadane inn i systemet. Denne avhandlinga har som mål å gjere ei teoretisk undersøking av konsekvensane ved å ha luftstrøyming inn i ein organisk Rankine-syklus med subatmosfærisk trykk på lågtrykk-sida. Syklusen var sett til å bruke n-pentan eller benzen som arbeidsmedium. Utløpstemperatur til kondensator er sett til 30°C, utløpstemperatur til dampkjelen er sett til 150°C.
Metoden som vart brukt for å undersøkje problemstillinga vart delt inn i to kategoriar, ikkje-reaktiv og reaktiv strøyming. Metode for ikkje-reaktiv strøyming vart etablert i denne avhandlinga. Mykje av teorien er henta frå tre doktoravhandlingar, anna teori er funne ut av undervegs. Ein modell der luft kan trengje inn i syklusen, med trykket til gassfasen på lågtrykk-sida som fri variabel, vart etablert. Hovudresultata frå denne modellen var relasjonar for molfraksjonen av luft på begge trykksidene av syklusen. Undersøking av tofase-strøyming i pumpa viste at fase-separering kan skje, og at gassfasen kan samle seg ved inntaket til pumpa, som til slutt blokkerer den.
Metode for reaktiv strøyming er henta frå ei lærebok om forbrenning, her er det ingen bidrag til forbrenningsteori. Eit uttrykk for Phi vart formulert som funksjon av trykket til gassfasen på lågtrykk-sida. Berekningsverktøyet Cantera var tatt i bruk med Matlab og Python for å simulere tenning og flammestrukturar. Ein detaljert kinematisk mekanisme frå forskningsgruppa CRECK var tatt i bruk i desse simuleringane. Eit viktig funn var at ein organisk Rankine-syklus som har benzen som arbeidsmedium er utsett for forbrenning på lågtrykk-sida ved den gitte tilstanden. Syklusen som brukte n-pentan som arbeidsmedium er ikkje utsett for forbrenning. Dei to arbeidsmedia hadde ulike resultat grunna svært ulike mettingstrykk.
Det vart etablert ein metode for å avgjere om eit arbeidsmedium er trygt å bruke eller ikkje, med tanke på forbrenning. Denne metoden reknar Phi for ei rekke tilstandar, tilstanden som gir Phi nærast 1 vert brukt i forbrenningssimulering. Analyse av data frå simulering er eit krav for å avgjere om forbrenning skjer eller ikkje, i den tilstanden. Konklusjonen var at det er behov for meir forsking, blant anna på validering av nye metodar, men også på gevinstane av å ha subatmosfærisk trykk i organiske Rankine-syklusar. Despite the long history of organic Rankine cycles (ORC), there is limited research on these cycles operating with subatmospheric pressure. Subatmospheric pressures enables higher pressure ratios and consequently higher cycle efficiency, but is avoided mainly due to the combustion risk if ambient air was to breach into the system. This thesis aims to perform a theoretical investigation of the consequences of allowing air into an organic Rankine cycle operating with subatmospheric pressure on the low-pressure side. The cycle was designed to use n-pentane or benzene as working fluid, with condenser outlet temperature set to 30°C and evaporator outlet temperature set to 150°C.
The methodology used to investigate this matter was divided into two categories; non-reacting and reacting flow. Methodology for non-reacting flow was developed in this thesis. Mainly from three doctoral theses, and supplied by original analysis. An inleak model was formulated, with the main variable being the pressure of the gas phase on the low-pressure side. The main outputs were relations for the molar fraction of air on both pressure sides. When investigating two-phase flow in the pump it was found that phase separation can occur, and gas can accumulate at the pump inlet, effectively blocking it.
Methodology for reacting flow was taken from a textbook on combustion, this thesis did not contribute to any combustion theory. The equivalence ratio Phi was formulated as a function of gas phase pressure. The computational toolbox Cantera was used with Matlab and Python to simulate ignition and flame structures. A detailed kinetic mechanism from the research group CRECK was used in these simulations. It was found that an organic Rankine cycle with benzene used as working fluid is exposed to combustion on the low-pressure side at given temperatures. The cycle using n-pentane as working fluid is not exposed to combustion. The two working fluids had different results due to their respective saturation pressures being significantly different.
A procedure to determine if a working fluid is safe or unsafe regarding combustion was developed. This procedure calculates the equivalence ratio for a wide range of conditions, uses the condition with the value of Phi closest to unity, and simulates combustion processes at that condition. Post-processing of simulation data is required to determine whether combustion occurs or not, under those conditions. It was concluded that more research is needed, both in terms of validating developed models, but also on feasibility of subatmospheric organic Rankine cycles.