A low-temperature heat source can be utilised for power generation in an organic Rankine cycle (ORC). Unlike the conventional Clausius--Rankine cycle that uses water/steam as its working fluid, the ORC uses an organic medium that can offer more desirable properties for low-temperature heat. In an ORC process, the use of different organic media can lead to wide-ranging system performance. Therefore, the selection or design of a working fluid that corresponds to optimal performance is always needed. This thesis is presented as a contribution to the knowledge of working fluid selection and design for the optimisation of the ORC process on a thermo-economic basis. To provide guidelines for the design of new working fluids, a number of existing fluids are investigated in combination with various cycle configurations (standard, recuperative, and regenerative ORCs), working conditions (sub- and supercritical conditions), and technical constraints (minimum turbine inlet temperature, minimum heat source outlet temperature, and pressure drop). By varying the heat source temperature in a standard ORC process, a theoretical term called optimal heat source temperature (OHST) is deduced to characterize a working fluid corresponding to the maximum exergy efficiency in the heat transfer process. According to the results from comparing the OHST with the available heat source temperature, all of the investigated fluids are classified into three groups. With the help of a set of sensitivity analyses, the significance of the OHST in the optimisation of ORC processes is revealed, serving as a guideline for further fluid design processes. For example, it is found that in a standard ORC process without any technical constraints, fluids with an OHST closer to the available heat source temperature are recommended for the advantage of having the highest system efficiencies. Using the guideline proposed through the sensitivity analyses, a new approach to fluid design, namely the OHST-integrated Computer-Aided Molecular Design (CAMD), is proposed and used to generate a set of fluorinated olefines possessing not only competitive thermodynamic properties, but also environmentally friendly features. The newly designed fluids are then optimised under various live vapour conditions in four representative ORC processes (standard ORC, supercritical ORC, recuperative ORC, and regenerative ORC). Comparing the optimised efficiencies obtained from the designed fluids with those from the available fluids, it is shown that the design of new working fluids can indeed provide new optimisation potential to further improve the cycle performance of the ORC process. The thermodynamic model is then extended with an economic model that considers the costs of the preparation, construction, operation, and maintenance of the ORC process for application in a geothermal power generation. Similarly, all of the existing fluids are classified into three fluid groups on an OHST basis, and they are investigated in terms of thermo-economical parameters (e.g. levelised cost of electricity, payback period, etc.), resulting in a set of conclusions as well as guidelines for the following fluid design process. The OHST-integrated CAMD process is combined with the techno-economic model, leading to a set of new candidate fluids, as well as their optimised economic performances. The optimisation results suggested that the use of new fluids could compete with the existing fluids on cycle costs, and at the same time provide more desirable safety or environmental properties.     «

A low-temperature heat source can be utilised for power generation in an organic Rankine cycle (ORC). Unlike the conventional Clausius--Rankine cycle that uses water/steam as its working fluid, the ORC uses an organic medium that can offer more desirable properties for low-temperature heat. In an ORC process, the use of different organic media can lead to wide-ranging system performance. Therefore, the selection or design of a working fluid that corresponds to optimal performance is always neede...     »

Eine Niedertemperatur-Wärmequelle kann zur Stromerzeugung in einem Organinc Rankine Cycle (ORC) genutzt werden. Im Gegensatz zum konventionellen Clausius-Rankine-Kreislauf, der Wasser /Dampf als Arbeitsmedium verwendet, verwendet der ORC ein organisches Medium, das für Niedertemperaturwärme wünschenswerte Eigenschaften bieten kann. In einem ORC-Prozess kann die Verwendung verschiedener organischer Medien zu vielen unterschiedlichen Systemleistungen führen. Daher ist die Auswahl oder das Design eines Arbeitsmittels, das einer optimalen Systemleistung entspricht, immer erforderlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung des ORC-Prozesses durch optimale Auswahl und optimales Design von organischen Fluiden auf thermo-ökonomischer Basis. Um Richtlinien für das Design neuer Arbeitsfluide vorzugeben, wird eine Reihe bestehender Fluide in Kombination mit verschiedenen Kreisläufen (Standard-, rekuperative und regenerative ORCs), Arbeitsbedingungen (unter- und überkritische Verdampfung) und technischen Randbedingungen (minimale Turbineneintrittstemperatur, minimale Wärmequellenaustrittstemperatur und Druckabfall) untersucht. Durch Variieren der Wärmequellentemperatur in einem Standard-ORC-Prozess wird ein theoretischer Fachbegriff, nämlich Optimal Heat Source Temperature (OHST), entwickelt, um ein Arbeitsfluid zu charakterisieren, das dem maximalen Exergiewirkungsgrad im Wärmeübertragungsprozess entspricht. Vergleicht man die OHST mit der verfügbaren Wärmequellentemperatur, kann man alle untersuchten Fluide in drei Gruppen klassifizieren. Durch Sensitivitätsanalysen wichtiger Prozessgrößen wie Frischdampfdruck /-temperatur wird die Bedeutung der neu entwickelten OHST für die Optimierung von ORC-Prozessen aufgezeigt, die für weitere Fluidsdesigns als Richtlinie dienen kann. So hat sich z.B. herausgestellt, dass in einem Standard-ORC-Prozess (ohne zusätzliche technische Einschränkungen) Fluide mit einer OHST, die näher an der verfügbaren Wärmequellentemperatur liegt, empfohlen werden, um die höchsten Wirkungsgrade zu erreichen. Basierend auf der OHST-Theorie wird demzufolge ein neues Konzept für das Fluidsdesign, nämlich das OHST-integrierte Computer-Aided Molecular Design (CAMD), dargestellt. Dadurch ergibt sich eine Reihe von neuen Fluiden (Hydrofluorolefine), die nicht nur kompetitive thermodynamische, sondern auch umweltfreundliche Eigenschaften besitzen. Danach werden die neu erzeugten Fluide unter verschiedenen Verdampfungsbedingungen in vier repräsentativen ORC-Prozessen (Standard-ORC, überkritischer ORC, rekuperativer ORC und regenerativer ORC) simuliert. Es zeigt sich, dass das Design neuer Arbeitsmittel thermodynamisch sinnvoll ist, um den Wirkungsgrad des ORC-Prozesses zu erhöhen. Das thermodynamische Modell wird dann um ein wirtschaftliches Modell erweitert, das unterschie-dliche Kosten (Vorbereitung, Bau, Betrieb und Wartung) eines geothermischen ORC-Prozesses berücksichtigt. Ähnlicherweise werden alle untersuchten Fluide auf OHST-Basis in drei Fluidgruppen klassifiziert und hinsichtlich thermo-ökonomischer Parameter (z.B. Stromgestehungskosten, Amortisationszeit usw.) bewertet. Eine Reihe von Schlussfolgerungen wird somit dargestellt und als Hinweise für den folgenden Fluiddesignprozess benutzt. Das neue Konzept, nämlich das OHST-integrierte CAMD, wird auch mit dem techno-ökonomischen Modell kombiniert, was zu unterschiedlichen Kandidatenarbeitsfluiden sowie zu deren optimalen wirtschaftlichen Leistungen führt. Die Optimierungsergebnisse weisen darauf hin, dass die neu erzeugten Fluide gegenüber den bestehenden Fluiden auch wirtschaftlich vorteilhaft sind, und zudem über sehr ansprechende Sicherheits- sowie Umwelteigenschaften verfügen.     «

Eine Niedertemperatur-Wärmequelle kann zur Stromerzeugung in einem Organinc Rankine Cycle (ORC) genutzt werden. Im Gegensatz zum konventionellen Clausius-Rankine-Kreislauf, der Wasser /Dampf als Arbeitsmedium verwendet, verwendet der ORC ein organisches Medium, das für Niedertemperaturwärme wünschenswerte Eigenschaften bieten kann. In einem ORC-Prozess kann die Verwendung verschiedener organischer Medien zu vielen unterschiedlichen Systemleistungen führen. Daher ist die Auswahl oder das Design e...     »