Temat trzeci (O2/T3)

„Problemy cieplno-przepływowe w urządzeniach niskotemperaturowej energetyki cieplnej, także z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii”.

Temat ten dotyczy badań naukowych nakierowanych generalnie na ograniczenie emisji gazów cieplarniach do atmosfery w gospodarce energetycznej kraju, przy równoczesnym rozwoju nowych technologii energetycznych wykorzystujących energię słoneczną (kolektory słoneczne, biomasa) oraz zastosowaniu przyjaznych dla środowiska czynników roboczych.

Zadanie 1: Mikrosiłownie na czynniki organiczne.

W zadaniu 1 prowadzi się badania teoretyczne i eksperymentalne dotyczące obiegu ORC (ang. Organic Rankine Cycle) i jego elementów. W ramach tego zadania pracowano nad kilkoma zagadnieniami związanymi z opracowaniem dojrzałej koncepcji mikrosiłowni na czynniki organiczne otrzymując następujące wyniki:

Pierwotnym i najważniejszym osiągnięciem było wypracowanie uogólnionych kryteriów termodynamicznych pozwalających na optymalny dobór czynnika roboczego dla podkrytycznych i nadkrytycznych obiegów ORC.
Ponieważ w obiegu Rankine'a na czynniki organiczne występują mikrowymienniki ciepła (parownik, skraplacz), opracowano więc dla nich algorytmy obliczeniowe pozwalające wyznaczyć rozpływ czynnika roboczego w kolektorach mikrowymienników kanalikowych oraz określić powierzchnie wymiany ciepła dla tych wymienników.
W Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej, we współpracy z IMP PAN, powstał prototyp mikrosiłowni obiegu ORC.

Na nowo zbudowanym stanowisku badawczym, symulującym pracę obiegu ORC, testowane są nowe rozwiązania konstrukcyjne pompy i mikrowymienników. W badanym obiegu będzie zastosowana nowa koncepcja urządzenia rozprężającego – mikroturbiny. Praca pompy obiegowej zostanie zredukowana przez zastosowanie mikrowymienników z wkładkami z materiału porowatego, dzięki czemu siły kapilarne będą wspomagać jej pracę. Analizowany będzie również obieg wspomagający pracę pompy poprzez cyrkulację naturalną, w którym zostanie zaprojektowane optymalne położenie geometryczne parownika i skraplacza, tak aby moc pompy była minimalna. Prace teoretyczne będą zmierzały w kierunku zbadania zachowania obiegu ORC przy jego różnych obciążeniach cieplnych, będą również badane dynamiczne stany przejściowe.

Stanowisko laboratoryjne ORC

Zadanie 2: Obiegi skojarzone lewobieżne oraz prawobieżne z wykorzystaniem ekologicznych czynników roboczych.

Zadanie 2 poświęcone jest zagadnieniom służącym poprawie sprawności obiegów cieplnych Rankine'a, jak również obiegów lewobieżnych (tzn. pomp ciepła, chłodniczych i układów klimatyzacyjnych), z wykorzystaniem energii słonecznej, biomasy i ciepła odpadowego, pracujących przy użyciu ekologicznych czynników roboczych. Układy te mają współpracować w poligeneracji z obiegami cieplnymi Rankine'a przy równoczesnej produkcji energii elektrycznej, ciepła dla celów grzewczych i chłodu w okresie letnim. Daleko zaawansowane są prace nad wykorzystaniem urządzeń strumieniowych (jedno- i dwufazowych) do poprawy sprawności urządzeń obiegów lewobieżnych. Szczególne znaczenie mają tu dotychczasowe wyniki badań nad wykorzystaniem energii słonecznej do celów klimatyzacji. Drugi istotny kierunek badań dotyczy wykorzystania pola elektrycznego do separacji oleju z czynnika roboczego w sprężarkowych układach chłodniczych. Taki doświadczalny filtr oleju z użyciem pola elektrycznego został zastosowany w instalacji doświadczalnej w Zakładzie O2/Z5. Trwają także prace nad zastosowaniem dwutlenku węgla jako naturalnego czynnika roboczego w układach chłodniczych. W ramach tego zagadnienia wykonane zostaną badania eksperymentalne na strumienicy laboratoryjnej, mające na celu wyznaczenie optymalnych parametrów pracy oraz geometrii tego urządzenia ze względu na wartości współczynnika sprawności COP obiegu lewobieżnego.

Modelowanie strumienicy gazowej z powietrzem jako czynnikiem roboczym

Zadanie 3: Zastosowanie procesów elektrohydrodynamicznych oraz nanotechnologii w zagadnieniach cieplno-przepływowych energetyki.

W zadaniu 3 wykonywane są badania dotyczące plazmowych technik modyfikacji właściwości powierzchniowych materiałów, które mogą znaleźć zastosowanie w produkcji nowych urządzeń przeznaczonych do pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Celem tych badań jest lepsze eksperymentalne poznanie w skali nanoskopowej zjawisk fizycznych występujących podczas oddziaływania plazmy wyładowania elektrycznego z powierzchnią wybranych materiałów konstrukcyjnych, stosowanych w energetyce odnawialnej. Plazmowe techniki stosowane są w wielu dziedzinach techniki do wytwarzania powierzchni o pożądanych właściwościach mechanicznych, chemicznych, termicznych i innych. Poznanie tych procesów jest niezbędne do opracowania nowych urządzeń i technologii materiałowych wykorzystujących procesy plazmowe w połączeniu z rozpylaniem elektrohydrodynamicznym. W czasie wytwarzania i badań nanostruktur materiałowych zwraca się szczególną uwagę na możliwość poprawy takich właściwości materiałów, jak odporność temperaturowa, odporność na ścieranie, podwyższona odporność na czynniki chemiczne, biologiczne, na erozję i korozję, a także zmiana współczynnika adhezji i tarcia, np. poprzez nanoszenie warstw tlenkowych, węglikowych, glinokrzemianowych lub polimerowych oraz implantację jonów z fazy gazowej w plazmie wyładowania elektrycznego. Podjęte zagadnienia mają więc charakter interdyscyplinarny.