Modelling and optimisation of main diesel engine waste heat powered systems based on dual-loop cycles

Abstract

Climate change is a global challenge that is expected to impact both present and future generations. In recent years, the Earth's atmosphere has undergone significant changes. Scientific studies demonstrate that climate change has progressed gradually and is directly associated with increasing concentrations of carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) in the atmosphere. These two gases, especially CO₂, influence the planet’s temperature. Due to the anticipated growth in international trade, pollution from shipping is expected to increase. This makes it essential to implement measures specifically tailored to the characteristics of the maritime sector to mitigate emissions. In line with the commitment of the shipping industry to reduce greenhouse gas emissions by at least 50% by 2050, new technologies have been developed. The international community is also taking action to address climate change. This PhD thesis examines different types of waste heat recovery technologies onboard ocean-going ships, to assess their technical principles and application feasibility. The study is driven by the need to reduce carbon dioxide emissions from combustion processes worldwide, as part of the broader effort to address greenhouse gas emissions and reduce reliance on hydrocarbons as fuel. A thermo-economic analysis is performed to enhance the understanding of available options and to support the Modelling and Optimisation of Main Diesel Engine Waste Heat Powered Systems Based on Dual-Loop Cycles, aiming to improve both fuel consumption and emissions.

Η κλιματική αλλαγή αποτελεί μία παγκόσμια πρόκληση, η οποία αναμένεται να επηρεάσει τόσο τις παρούσες όσο και τις μελλοντικές γενιές. Τα τελευταία χρόνια, η ατμόσφαιρα της Γης έχει υποστεί σημαντικές μεταβολές, με επιστημονικές μελέτες να καταδεικνύουν ότι η κλιματική αλλαγή εξελίσσεται σταδιακά και συνδέεται άμεσα με τις αυξανόμενες συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) και μεθανίου (CH₄) στην ατμόσφαιρα. Τα δύο αυτά αέρια, και ιδίως το CO₂, επηρεάζουν καθοριστικά τη θερμοκρασία του πλανήτη.Η αναμενόμενη αύξηση του διεθνούς εμπορίου εκτιμάται ότι θα οδηγήσει σε περαιτέρω ενίσχυση της ρύπανσης από τη ναυτιλία, γεγονός που καθιστά αναγκαία την εφαρμογή μέτρων ειδικά προσαρμοσμένων στα χαρακτηριστικά του ναυτιλιακού τομέα, με σκοπό τον περιορισμό των εκπομπών. Στο πλαίσιο της δέσμευσης της ναυτιλιακής βιομηχανίας για μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 50% έως το 2050, έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνολογίες, ενώ παράλληλα η διεθνής κοινότητα λαμβάνει δράσεις για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει διαφορετικούς τύπους τεχνολογιών ανάκτησης απορριπτόμενης θερμότητας σε πλοία ανοικτής θαλάσσης, με στόχο την αξιολόγηση των τεχνικών τους αρχών και της εφικτότητας εφαρμογής τους. Η έρευνα υπαγορεύεται από την ανάγκη μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που προέρχονται από διεργασίες καύσης σε παγκόσμιο επίπεδο, στο πλαίσιο της ευρύτερης προσπάθειας περιορισμού των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και της μείωσης της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα. Πραγματοποιείται θερμοοικονομική ανάλυση με σκοπό την εις βάθος κατανόηση των διαθέσιμων τεχνολογικών επιλογών και την υποστήριξη της Προσομοίωσης και Βελτιστοποίησης Συστημάτων Παραγωγής Ισχύος από Απορριπτόμενη Θερμότητα της Κύριας Ναυτικής Μηχανής, Βασισμένων σε Κύκλους Διπλού Βρόχου, με στόχο τη βελτίωση τόσο της κατανάλωσης καυσίμου όσο και των εκπομπών.