تحلیل ترمواقتصادی و بهینه‌سازی چندهدفه چرخه‌های بازیافت تلفات حرارتی یک موتور ژنراتور گازسوز

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مکانیک برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، شهر جدید سهند، تبریز، ایران

3 دانشیار، دانشکده مکانیک برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق یک موتور ژنراتور گازسوز با توان 3/34 کیلووات به عنوان محرک اولیه برای چرخه‌های ترمودینامیکی پایین‌دست در نظر گرفته شده است که شامل چرخه رانکین آلی با منبع تغذیه باز برای بازیافت تلفات حرارت گازهای اگزوز خروجی موتور و چرخه مثلثی برای بازیافت حرارت اتلافی آب خنک‌کاری موتور می‌باشد. عملکرد چرخه‌های تحتانی از نظر ترمودینامیکی و ترمو- اقتصادی بررسی شده و سپس آنالیز حساسیت و بهینه‌سازی چندهدفه با در نظر گرفتن توابع هدف بازده اگزرژی و هزینه سرمایه‌گذاری ویژه بر روی چرخه‌ها انجام گرفته است. همچنین، نقطه بهینه بر روی نمودار جبهه پرتو بر اساس معیار LINMAP انتخاب شده است. نتایج نشان می‌دهد تخریب اگزرژی در گرمکن و چگالنده چرخه مثلثی و تبخیرکن  چرخه رانکین آلی نسبت به سایر اجزا بیشتر است. در بین متغیرهای تصمیم‌گیری، بازده آیزنتروپیک توربین‌ها و دمای چگالنده چرخه مثلثی تاثیر قابل‌توجهی در توابع هدف دارند. استفاده از سیستم بازیافت تلفات گرمایی در حالت بهینه منجر به افزایش %09/6 بازده اگزرژی سیستم کلی شامل موتور ژنراتور و چرخه‌های پایین‌دستی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Varga Z. and Palotai B., Comparison of low temperature waste heat recovery methods. Energy, Vol.137, pp. 1286-1292, 2017.
[2]  Heywood J.B.J.E.E.U., Combustion engine fundamentals. McGrow-Hill, New York, 1988.
]3[   غائبی ه.، یاری م. و قوامی گرگری س.، شبیه‌سازی یک سیستم نوین تولید یکپارچه هیدروژن و توان با تلفیق چرخه ORC و سیستم ریفرمینگ بخار آب زیست گاز خورشیدی. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 49، ش. 2، ص 189-198، 1398.
[4]  Lu Y., Roskilly A.P., and Yu X., The Development and Application of Organic Rankine Cycle for Vehicle Waste Heat Recovery, in Organic Rankine Cycle Technology for Heat Recovery., IntechOpen, United Kingdom, 2018.
[5]  Ge Z., et al., Thermodynamic performance analyses and optimization of dual-loop organic Rankine cycles for internal combustion engine waste heat recovery. Applied sciences, Vol.9, No.4, pp. 680-703, 2019.
[6]  Safarian S. and Aramoun F., Energy and exergy assessments of modified Organic Rankine Cycles (ORCs). Energy reports, Vol.1, pp. 1-7, 2015.
[7]  Liu P., Shu G. and Tian H.J.E., How to approach optimal practical Organic Rankine cycle (OP-ORC) by configuration modification for diesel engine waste heat recovery. Energy, Vol.174, pp. 543-552, 2019.
[8]  Neto R.d.O., et al., Technical and economic analyses of waste heat energy recovery from internal combustion engines by the Organic Rankine Cycle. Energy Conversion and Management, Vol. 129, pp. 168-179, 2016.
]9[   دیمی دشت بیاض م. و محمدی س.، بررسی انرژی و اگزرژی و بهبود چرخه رانکین آلی برای بازیافت گرمای تلف شده. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 48، ش. 4، ص 153-161، 1397.
[10]           Ho T., Mao S.S. and Greif R., Increased power production through enhancements to the Organic Flash Cycle (OFC). Energy, Vol. 45, No.1, pp. 686-695, 2012.
[11]           Ajimotokan H., A study of Trilateral Flash Cycles for Low-Grade Waste Heat Recovery-To-Power Generation. PhD. Thesis, Cranfield University, School of Engineering. Energy and Power Engineering Division, 2014.
[12]           Fischer J., Comparison of trilateral cycles and organic Rankine cycles. Energy, Vol.36, No.10, pp. 6208-6219, 2011.
[13]           Zamfirescu C. and Dincer I., Thermodynamic analysis of a novel ammonia–water trilateral Rankine cycle. Thermochimica Acta, Vol.477, No. 1-2, pp. 7-15, 2008.
[14]         Bianch, G., et al., Numerical modeling of a two-phase twin-screw expander for Trilateral Flash Cycle applications. International Journal of Refrigeration, Vol.88, pp. 248-259, 2018.
[15]       Li Z., et al., Comparison study of Trilateral Rankine Cycle, Organic Flash Cycle and basic Organic Rankine Cycle for low grade heat recovery. Energy Procedia, Vol. 142, pp. 1441-1447, 2017.
[16]         Bianchi G., et al., Two-phase chamber modeling of a twin-screw expander for Trilateral Flash Cycle applications. Energy Procedia, Vol. 129, pp. 347-354, 2017.
[17]         Smith I.K., Development of the trilateral flash cycle system: Part 1: fundamental considerations. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 207, No.3, pp. 179-194, 1993.
[18]         Rosset K., et al., Multi-objective optimization of turbo-ORC systems for waste heat recovery on passenger car engines. Energy, Vol. 159, pp. 751-765, 2018.
[19]         Bejan A., Tsatsaronis G. and Moran M., Thermal design and optimization. John Wiley & Sons, New York, 1996.
[20]         Bahlouli K., Khoshbakhti Saray R. and Sarabchi N., Parametric investigation and thermo-economic multi-objective optimization of an ammonia–water power/cooling cycle coupled with an HCCI (homogeneous charge compression ignition) engine. Energy, Vol.86, pp. 672-684, 2015.
[21]         Ahmadi P. and Dincer I., Thermodynamic and exergoenvironmental analyses, and multi-objective optimization of a gas turbine power plant. Applied Thermal Engineering, Vol.31, No.14-15, pp. 2529-2540, 2011.
[22]         Petrakopoulou F., et al., Exergoeconomic and exergoenvironmental analyses of a combined cycle power plant with chemical looping technology. International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 5, No. 3, pp. 475-482, 2011.
[23]         Quoilin S., et al., Thermo-economic optimization of waste heat recovery Organic Rankine Cycles. Applied thermal engineering, Vol. 31, No.14-15, pp. 2885-2893, 2011.
[24]         Vieira L.S., Donatelli J.L. and Cruz M.E., Exergoeconomic improvement of a complex cogeneration system integrated with a professional process simulator. Energy Conversion and Management, Vol. 50, No. 8, pp. 1955-1967, 2009.
[25]         Kolahi M., et al., Thermodynamic and economic performance improvement of ORCs through using zeotropic mixtures: case of waste heat recovery in an offshore platform. Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 8, pp. 51-70, 2016.
[26]         Turton R., et al., Analysis, synthesis and design of chemical processes. Pearson Education, United Kingdom, 2008.
[27]         Yari M., et al., Exergoeconomic comparison of TLC (trilateral Rankine cycle), ORC (organic Rankine cycle) and Kalina cycle using a low grade heat source. Energy, Vol. 83, pp. 712-722, 2015.
[28]         Kim K.H., Ko H.J. and Kim K.J.A.E., Assessment of pinch point characteristics in heat exchangers and condensers of ammonia–water based power cycles, Applied Energy, Vol. 113, pp. 970-981, 2014.
[29]         Sayyaadi H. and Mehrabipour R.J.E., Efficiency enhancement of a gas turbine cycle using an optimized tubular recuperative heat exchanger. Energy, Vol. 38, No.1, pp. 362-375, 2012.