Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0077;F-WKK
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Cogénération avec turbine Scroll
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Decentralized cogeneration systems are associated with high efficiencies of energy conversion and low emission rates. They also allow a high security of electricity supply and flexibility of operation. This project proposes an alternative for micro-cogeneration based on a new concept of a double-stage and high-efficient scroll expander unit within an Organic Rankine Cycle (ORC) to produce electricity from relatively low temperature heat sources. The scroll system operates at around 250ºC allowing the use of renewable energy sources like biomass, thermal solar and geothermal. And the heat recovered at the ORC condenser can be used for space heating and domestic hot-water production. During the year 2008, the construction, assembly and operational tests of the expander have been carried out for each stage. A circuit of compressed air have been expressly design and used for testing each expansion stage of the expander in terms of pressure, sealing and rotational operation. According to the results, a few modifications have been performed on some parts of the expander for the optimisation purpose, and the machine is now ready for performance testing. The generator is already tested on a separate bench and shows good performance results. Considering the steam test bench (steam cycle installation), all the equipments have been specified and built under the supervision of ENEFTECH. Both the heating and cooling systems have been implemented and tested successfully. The electric panel, the control and monitoring systems are fully operational. However startup testing already performed within the steam test bench (without the expander) showed difficulties on the control and separation of the steam generation circuit and the lubrication oil circuit. In cold startup conditions, condensing water appeared in the oil circuit which generated instabilities in the cycle. Many efforts are now pursuing for avoiding and/or evacuating the condensing water in the oil circuit. According to those instabilities of the cycle, the performance of the expander cannot be yet characterized and ENEFTECH proposes new modifications on the water/oil separation system, which would simplify considerably the installation.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La cogénération permet de satisfaire les besoins en énergie avec une utilisation plus efficace des combustibles réduisant ainsi les émissions polluantes et les gaz à effet de serre. Le projet propose une alternative de système de micro-cogénération basée sur l’utilisation de turbines Scroll qui produisent de l’électricité à partir de source de chaleur à relativement basse température (inférieur à 250°C), permettant donc d’exploiter les ressources d’énergies renouvelables telles que la biomasse, le solaire ou la géothermie. Un tel système permet la production économique de courant vert et peut fournir également des prestations de chaleur de l'ordre de 60ºC, remplissant ainsi les besoins en chauffage et/ou en eau chaude sanitaire. Au cours de l’année 2008, la construction, l’assemblage et des tests de fonctionnement sont effectués sur la machine caractérisée et développée lors de l’année 2007. Au niveau des étages de détente, après quelques modifications de pièces, la machine a passé les tests de pression, d’étanchéité et de fonctionnement à l’air comprimé (basse pression) et est prête à subir des tests de performance. Le générateur est testé sur un banc séparé et montre des résultats acceptables. Au niveau du banc d’essais, les utilités chaudes et froides, l’armoire de commande et le système d’acquisition sont spécifiés et leur intégration est supervisée par ENEFTECH. La mise en service du banc d’essais a montré cependant des difficultés importantes à maîtriser la séparation de l’huile et de la vapeur d’eau, avec des effets instationnaires indésirables dans le cas où de l’eau se retrouve dans le circuit d’huile. La plus part de nos efforts pour les tests de performances se sont concentrés sur la suppression de ces effets. A la fin de l’année 2008, les tests de performance de la turbine n’ont pas pu être effectués et ENEFTECH propose de les repousser au début de l’année 2009 en moyennant quelques efforts sur l’installation en place, suivis, le cas échéant d’une modification du système de séparation eau/huile, qui simplifierait considérablement le système pour tester la turbine.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Decentralized cogeneration systems are associated with high efficiencies of energy conversion and low emission rates. They also allow a high security of electricity supply and flexibility of operation. This project proposes an alternative for micro-cogeneration based on a new concept of a double-stage and high-efficient scroll expander unit within an Organic Rankine Cycle (ORC) to produce electricity from relatively low temperature heat sources. The scroll system operates at around 250ºC allowing the use of renewable energy sources like biomass, thermal solar and geothermal. And the heat recovered at the ORC condenser can be used for space heating and domestic hot-water production. During the year 2008, the construction, assembly and operational tests of the expander have been carried out for each stage. A circuit of compressed air have been expressly design and used for testing each expansion stage of the expander in terms of pressure, sealing and rotational operation. According to the results, a few modifications have been performed on some parts of the expander for the optimisation purpose, and the machine is now ready for performance testing. The generator is already tested on a separate bench and shows good performance results. Considering the steam test bench (steam cycle installation), all the equipments have been specified and built under the supervision of ENEFTECH. Both the heating and cooling systems have been implemented and tested successfully. The electric panel, the control and monitoring systems are fully operational. However startup testing already performed within the steam test bench (without the expander) showed difficulties on the control and separation of the steam generation circuit and the lubrication oil circuit. In cold startup conditions, condensing water appeared in the oil circuit which generated instabilities in the cycle. Many efforts are now pursuing for avoiding and/or evacuating the condensing water in the oil circuit. According to those instabilities of the cycle, the performance of the expander cannot be yet characterized and ENEFTECH proposes new modifications on the water/oil separation system, which would simplify considerably the installation.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ENEFTECH Innovation SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kane,Malick
Cretegny,Danilo
Favrat,D.
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Schlussbericht
(Französisch)
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La cogénération permet de satisfaire les besoins en énergie avec une utilisation plus efficace des combustibles réduisant ainsi les émissions polluantes et les gaz à effet de serre. Le projet propose une alternative de système de micro-cogénération basée sur l’utilisation de turbines Scroll qui produisent de l’électricité à partir de source de chaleur à relativement basse température (inférieur à 250°C), permettant donc d’exploiter les ressources d’énergies renouvelables telles que la biomasse, le solaire ou la géothermie. Un tel système permet la production économique de courant vert et peut fournir également des prestations de chaleur de l'ordre de 60ºC, remplissant ainsi les besoins en chauffage et/ou en eau chaude sanitaire. Un nouveau concept de turbine scroll à double étage de détente (HP et BP) et à haute température (HT-Scroll) a été développé et validé dans le cadre de ce projet. La modélisation, le dimensionnement et la construction d’une unité de 5 kWe ont été menés avec succès. La pression maximale admissible en design est de 25 bars correspondant aux pressions de saturations des fluides sélectionnés pour une température à l’entrée maximale de 250°C (température de design). Le choix des matériaux et le confinement des fluides ont permis d’offrir la possibilité d’utiliser différents fluides de travail (eau, réfrigérant synthétiques, réfrigérants naturels). La construction de machine est hermétique, c'est-à-dire sans joint d’arbre entre l’air extérieur et le fluide de travail. Un système de positionnement des volutes «compliant» est développé pour réduire les fuites internes. La construction est modulaire entre les étages HP et BP, ce qui implique que la machine peut fonctionner avec un seul étage de turbine (turbine en mode mono-étagé) ou avec les deux étages à la fois (turbine en mode bi-étagé). Le générateur développé est du type synchrone à aimants permanents pouvant travailler à vitesse variable jusqu’à 6000 tr/min. L’unité scroll a été testé à l’air jusqu’à une température de 190°C pendant plusieurs heures sans détérioration ou serrage des composants. L’élévation de cette température d’entrée jusqu’à 250°C est possible si l’on utilise des composants appropriés au niveau du band d’essai (tenu en température des vannes). Un rendement global de l’ordre de 60% est obtenu pour la turbine HP testée en mode mono-étagé dans une plage de puissance électrique située entre 0.5 et 2.5 kW. Ce rendement est satisfaisant pour cette gamme de puissances et surtout pour les conditions de fonctionnement à l’air avec des rapports pression limités (de l'ordre de 5.0 à 6.4). Au niveau du module bi-étagée, les essais ont apporté une grande satisfaction opérationnelle au niveau du concept (comportement au démarrage, couplage au réseau électrique). Les premiers résultats obtenus par un fonctionnement en charge partielle (pression d’entrée maximale de 15 bars) ont montré des performances de rendement de l’ordre de 30%. Un rendement supérieur à 60% pourrait donc être atteint pour un fonctionnement nominal à plus grand rapport de pression (e.g. à 25 bars). Ces résultats sont fortement sensibles aux conditions du régime de vitesse, du rapport de pression et surtout de la concentration d’huile dans les volutes de turbine.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ENEFTECH Innovation SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kane,Malick
Cretegny,Danilo
Favrat,D.
Maquet,Jérôme
Zugehörige Dokumente
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