بهینه سازی فنی- اقتصادی سیکل ارگانیک رانکین به همراه بازیاب با در نظر گرفتن سیالات کاری مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

2 کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

در این مقاله یک سیکل ارگانیک رانکین همراه با بازیاب برای بازیافت گرمای اتلافی میکروتوربین مدل‌سازی و بهینه‌سازی شده است. دبی جرمی سیال عامل، کار خالص میکروتوربین، فشار تبخیر­کننده، فشار خروجی توربین و بازده بازیاب به عنوان پارامترهای طراحی در نظر گرفته شده­اند. چهار سیال شامل R123، R245fa، R22 و R134a انتخاب‌شده و به‌عنوان سیال کاری در سیکل مورد استفاده قرارگرفته‌اند. سپس الگوریتم NSGA-II (الگوریتم ژنتیک با مرتب­سازی نا­مغلوب) به‌منظور بیشینه‌سازی بازده حرارتی و کمینه‌سازی هزینه‌های کلی سالیانه (شامل هزینه سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه سوخت و هزینه‌های محیطی) ، به کار گرفته شده است. نتایج طراحی بهینه به‌صورت یک دسته جواب به­نام جبهه پارتو ارائه داده شده است. نتایج بهینه‌سازی نشان می‌دهند که بهترین سیال کاری، هم از نظر ترمودینامیکی و هم از نقطه نظر اقتصادی، R123 می‌باشد. نتایج بهینه R123 از نظر بازده ترمودینامیکی بهبود %7/3، %77/18 و %74/19 را به­ترتیب نسبت به R245fa، R22 و R134a نشان می‌دهد. مقادیر فوق برای هزینه‌های کلی سالیانه به ترتیب %7/6، %10 و %24 به دست آمد. در کل، به نظر می‌رسد که سیالات با شیب منحنی بخار اشباع بی نهایت و مثبت، بازده حرارتی بالاتر و هزینه‌های کلی سالیانه کمتری دارند. به‌علاوه، با افزودن یک سیکل ارگانیک رانکین با بازیاب بازده حرارتی میکروتوربین که حدود %30 است به اندازه  %12 افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


[1] Somayaji C., Mago P., and Chamra L, Second law analysis and optimization of organic Rankine cycle”, Proceeding of the American Society of Mechanical Engineers, pp. 591-596, 2006.
[2] Wang E., Zhang H., Fan B., Ouyang M., Zhao Y., and Mu Q., Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery, Energy, Vol. 36, No. 5, pp. 3406-3418, 2011.
[3] Chen H., Goswami D. Y., Rahman M. M., and Stefanakos E. K., A supercritical Rankine cycle using zeotropic mixture working fluids for the conversion of low-grade heat into power, Energy, Vol. 36, No. 1, pp. 549-555, 2011.
[4] Wei D., Lu X., Lu Z., and Gu J., Performance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recovery, Energy conversion and Management, Vol. 48, No. 4, pp. 1113-1119, 2007.
[5] Hung T.-C., Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids, Energy Conversion and Management, Vol. 42, No. 5, pp. 539-553, 2001.
[6] Mago P. J., Chamra L. M., Srinivasan K., and Somayaji C., An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids, Applied thermal engineering, Vol. 28, No. 8, pp. 998-1007, 2008.
[7] Xi H., Li M.-J., C. Xu, and He Y.-L., Parametric optimization of regenerative organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery using genetic algorithm, Energy, Vol. 58, pp. 473-482, 2013
[8] Hettiarachchi H. M., Golubovic M., Worek W. M., and Ikegami Y., Optimum design criteria for an organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources, Energy, Vol. 32, No. 9, pp. 1698-1706, 2007.
[9] Rashidi M., Galanis N., Nazari F., Parsa A. B., and Shamekhi L., Parametric analysis and optimization of regenerative Clausius and organic Rankine cycles with two feedwater heaters using artificial bees colony and artificial neural network, Energy, Vol. 36, No. 9, pp. 5728-5740, 2011.  
[10] Sun J., and Li W., Operation optimization of an organic Rankine cycle (ORC) heat recovery power plant, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No. 11, pp. 2032-2041, 2011.
[11] Mago P. J., and Luck R., Evaluation of the potential use of a combined micro-turbine organic Rankine cycle for different geographic locations, Applied Energy, Vol. 102, pp. 1324-1333, 2013.  
[12] Invernizzi C., Iora P., Silva P., Bottoming micro-Rankine cycles for micro-gas turbines, Applied thermal engineering, Vol. 27, No. 1, pp. 100-110, 2007.
[13] U.S Enviromental protection Agency combind Heat and power partnership, Catalog of CHP Technologies, Accessed September  2014; http://www.epa.gov/chp/documents/catalog_chptech_full.pdf
[14] Hajabdollahi Z., Hajabdollahi F., Tehrani M., and Hajabdollahi H., “Thermo-economic environmental optimization of Organic Rankine Cycle for diesel waste heat recovery”, Energy, Vol. 63, pp. 142-151, 2013.  
[15] Schaffer J. D., Multiple objective optimization with vector evaluated genetic algorithms, Proceeding of the international conference on genetic algorithm and their applications, USA, pp. 93-100, 1985.
[16] Srinivas N., and Deb K., Muiltiobjective optimization using nondominated sorting in genetic algorithms, Evolutionary computation, Vol. 2, No. 3, pp. 221-248, 1994.
[17]  Deb K., Pratap A., Agarwal S., and Meyarivan T., A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II, Evolutionary Computation, IEEE Transactions on, Vol. 6, No. 2, pp. 182-197, 2002.
[9]  Hajabdollahi F., Hajabdollahi Z., and Hajabdollahi H., Soft computing based multi-objective optimization of steam cycle power plant using NSGA-II and ANN, Applied Soft Computing, Vol. 12, No. 11, pp. 3648-3655, 2012.
[9] Roy J., Mishra M., and Misra A., Performance analysis of an Organic Rankine Cycle with superheating under different heat source temperature conditions, Applied Energy, Vol. 88, No. 9, pp. 2995-3004, 2011.