Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Abstract

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

This Master’s thesis is a part of the research made in Lappeenranta University of Technology. 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 ORC-process. In this research the selected motor types are two different diesel engines of AGCO Sisu Power. The calculations were performed by using waste heat parameters given by the engine manufacturer. The basic idea of this research was to utilize high, medium and low temperature waste heat in exhaust gases by using an ORC-process. Two different working fluids were compared in this study. The effects of different working fluids on the electrical efficiency, on the power output and on the changes of the process’ internal parameters have been carried out. In addition this research deals with the design and off-design process calculations, process optimization and heat exchanger design of an ORC-process. In this thesis the effects of changing engine parameters were also studied. 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.