haku: @supervisor Lahdelma, Risto / yhteensä: 196
viite: 2 / 196
| Tekijä: | Vanttola, Juha |
| Työn nimi: | Case study of waste heat recovery potential in a bulk carrier ship |
| Hukkalämmön talteenoton mahdollisuudet rahtilaivassa | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2016 |
| Sivut: | (5) + 99 s. + liitt. 6 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Insinööritieteiden korkeakoulu |
| Oppiaine: | Energiatekniikka (K3007) |
| Valvoja: | Lahdelma, Risto |
| Ohjaaja: | Kuosa, Maunu |
| Elektroninen julkaisu: | http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201612085867 |
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 5841 | Arkisto |
| Avainsanat: | waste heat recovery bulk carrier organic rankine cycle absorption heat pump jätelämmön talteenotto rahtilaiva |
| Tiivistelmä (fin): | Ilmastonmuutoksen, muiden painavien ympäristötekijöiden sekä epävakaan öljyn hinnan kehityksen seurauksena rahdinkuljetusalalla on käynnistetty useita projekteja polttoainetehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden kehittämiseksi. Eteenkin merirahtiliikenteen alalla maailmantilanteen nykyinen kehitys on johtanut alati tiukkeneviin ympäristönormeihin, sekä polttoaineen hinnan nousuun. Tämän seurauksena viimeisten vuosikymmenten aikana alalla on tehty paljon tieteellistä tutkimustyötä energiatehokkuuden parantamiseksi. Tässä diplomityössä käsitellään erään rahtilaivan jätelämmön talteenotto (LTO) -järjestelmää polttoainetehokkuuden parantamiseksi. Työssä analysoidaan 37 000 DWT (dead weight tonnage, kuollut paino) -kokoluokan kuivabulkkeri-aluksen, B.Delta 37:n, jätelämpöpäästöjä ISO-olosuhteissa termodynamiikan ensimmäisen ja toisen pääsäännön näkökulmasta. ISO-olosuhteilla tarkoitetaan laivan pää- ja apukoneiden valmistajan määrittelemää standardiajotilannetta, jolloin meriveden lämpötila on 21°C ja ilman lämpötila 25°C. Selvityksessä on käytetty laivan keskimääräistä vuotuista operointiprofiilia. Työssä ehdotettiin uutta konseptitason jätelämmön talteenottojärjestelmää rahtilaivan energiatehokkuuden parantamiseksi. Suunniteltu järjestelmä rakentuu luonnonkierto-periaatteella toimivan luonnonkiertoisen pakokaasukattilan (NCB), sekä SRC-ORC-kaskadimallisen Rankine-kiertoprosessiin perustuvan lämpövoimakoneen sekä absorptiolämpöpumpun (AHP) ympärille. Työn tulosten perusteella laivan nykyisessä jätelämpöjärjestelmässä suurimmat eksergiahäviöt syntyivät pääkoneen ahtoilman jäähdyttimessä (CAC) sekä makean veden valmistamiseen käytetyssä yksivaiheisessa evaporaattorissa (FWG). Noin 37% laivan vuotuisesta entropian generoitumisesta tapahtui edellä mainituissa yksiköissä. Nykyisen hukkalämmönkäsittelyjärjestelmän sisäisissä lämmönsiirroissa entropiaa laskettiin generoituvan noin 39,5 GJ/K. Tämä vastaa vuositasolla keskimäärin noin 368 kW eksergiahäviötä, kun referenssilämpötilaksi valitaan ISO-olosuhteiden mukainen meren lämpötila, 21°C. Työssä esitellyllä hukkalämmön talteenottojärjestelmällä voidaan laskujen mukaan vähentää tutkitun laivan entropian generoitumista noin 29,8%. Esitetyllä LTO-järjestelmällä voitaisiin työn tulosten perusteella vähentää laivan polttoaineenkulutusta vuositasolla noin 156 tn, joka vastaa melkein 3,8% laivan nykyisestä 4 089 tn vuotuisesta kulutuksesta. Parannukset energiatehokkuudessa vähentäisivät CO2-päästöjä vuositasolla noin 485 tn laivan toimiessa keskimääräisen operaatioprofiilin mukaisesti ISO-olosuhteissa. Laivan energiatehokkuutta saatiin parannettua sovittamalla hukkalämmön luovuttajien ja vastaanottajien lämpötilaprofiilit vastaamaan toisiansa tarkemmin, sekä käyttämällä hukkalämpöä sähkön generoimiseen SRC-ORC kaskadilla. Lisäksi matalalämpötilaprosessilämpöä tuotettiin absorptiolämpöpumpulla laivan voimakoneiden voiteluöljyn hukkalämmöstä. |
| Tiivistelmä (eng): | Due to the climate change, other stressing environmental issues and erratically behaving fuel prices the field of transportation is pushed to explore more fuel efficient and environmentally friendly means of operation. Especially for the field of marine cargo transportation this has been leading towards increasingly strict environmental legislation and inconsistent fuel prices having a rising trend. Correspondingly during last decades, there has been increasing amount of scientific interest for the efficiency improvements of naval transportation. In this thesis a fuel efficient waste heat recovery (WHR) system for a case ship is studied. The waste heat emissions of a commonplace 37 000 dry-weight-tonnage (DWT) bulk carrier ship, B.Delta37 is analyzed in so called ISO- ambient conditions, from the perspective of the first and the second-law of thermodynamics. ISO-ambient conditions refer to standard operation conditions, defined by the case vessel's engine manufacturer, where the sea temperature is 21°C and the air temperature is 25°C. An average annual operation profile of the case ship was used as a basis for this study. In this thesis a proposal for a novel WHR system was made, in order to improve the vessel's fuel economy. The WHR system was built around fairly conservative technologies, such as organic Rankine cycle (ORC), steam Rankine cycle (SRC) and absorption heat pump (AHP). According to the findings of the present study, the greatest causes for energy losses in the current waste heat system were found in the main engine charge air cooler (CAC) and a single stage evaporator-type fresh water generator (FWG). Approximately 37% of the onboard annual thermodynamic irreversibilities occurred due to these two components. In the current WHR-system of the ship the annual entropy generation was calculated to be 39,5 GJ/K, which represents an average exergy loss rate of 368 kW with reference ambient sea temperature of 21 °C. According to the study, the proposed conceptual WHR system could reduce the annual entropy generation approximately by 29,8%. In the light of the calculations, the improved WHR system could reduce the annual heavy fuel oil (HFO) consumption of the case vessel by 156 metric tons, which represents 3,8% of the current 4 089-metric-ton HFO consumption. The improvements would reduce the CO2 emissions of the ship by approximately 485 metric tons per year in a normal operation profile at ISO-ambient conditions. The improvements in system efficiency were received by better matching temperature profiles of heat sources and heat sinks, and further, by utilizing the excess waste heat in electricity generation with an SRC-ORC heat engine cascade, and finally, by producing low temperature process heat with an AHP from the waste heat of the engines' lubrication oil (LO). |
| ED: | 2016-12-18 |
INSSI tietueen numero: 55170
+ lisää koriin
INSSI