Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla
Uusitalo, Antti (2010)
Tiivistelmä
Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla.
Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon.
Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta. This Master’s thesis is a part of the research made in Lappeenranta University of Technology for the FCEP project. The aim of this research is to study the energy efficiency of internal combustion engines. Specifically, the focus of this thesis is on utilizing waste heat from internal combustion engines. The goal is to study the potential of converting waste heat into electricity with selected techniques.
In this research the selected motor type is a DF engine. Dual Fuel engine can be run either with natural gas or heavy fuel oil. The calculations were performed by using waste heat parameters given by the engine manufacturer. The basic idea of this research was to utilize the thermal energy in exhaust gases by using a steam process or an ORC-process and to compare the selected techniques. Low temperature waste heat utilization with ORC-processes and a high efficiency turbocharger with high pressure ratio were studied.
In this thesis the effects of changing engine parameters was also studied. Changing the engine parameters and studying their effects on engine shaft power or on other waste heat streams was not included in this thesis. This master’s thesis gives valuable information about utilizing waste heat from internal combustion engines and on increasing the energy efficiency of internal combustion engines.
Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon.
Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.
In this research the selected motor type is a DF engine. Dual Fuel engine can be run either with natural gas or heavy fuel oil. The calculations were performed by using waste heat parameters given by the engine manufacturer. The basic idea of this research was to utilize the thermal energy in exhaust gases by using a steam process or an ORC-process and to compare the selected techniques. Low temperature waste heat utilization with ORC-processes and a high efficiency turbocharger with high pressure ratio were studied.
In this thesis the effects of changing engine parameters was also studied. Changing the engine parameters and studying their effects on engine shaft power or on other waste heat streams was not included in this thesis. This master’s thesis gives valuable information about utilizing waste heat from internal combustion engines and on increasing the energy efficiency of internal combustion engines.