بررسي انرژي و اگزرژي و بهبود چرخه رانكين آلي براي بازيافت گرماي تلف شده

Energetic and Exergitic analysis and Optimization of Organic Rankine cycle (ORC) for Waste heat recovery

افزايش قيمت سوخت و محدوديت انتشار آلاينده دي‌اكسيد كربن سبب ايجاد روش‌هاي مختلفي براي افزايش بازده گرمايي موتورهاي احتراق داخلي شده است. يكي از اين روش­ها تبديل انرژي گرمايي تلف‌شده موتور به انرژي مكانيكي يا الكتريكي است. در اين پژوهش به بررسي و بكارگيري گرماي اتلافي از گازهاي خروجي موتور احتراق داخلي MTU-16V، در يك چرخه رانكين آلي برحسب راندمان قوانين اول و دوم ترموديناميك پرداخته ‌شده است. با گرماي تلف‌شده‌ي گازهاي خروجي كه برابرkW 862 است، مقدار توان خالص براي سيال­هاي كاري مختلف شامل R600a، R600 و R245fa مورد بررسي قرارگرفته، كه بيشترين توان خالص خروجي براي سيال كاري R245fa و برابر kW 37/23 بدست آمد و در مقايسه با سيال كاري­هاي R600a و R600 افزايش توان خروجي به ترتيب حدود 6% و 2% بوده است. همچنين سيال­هاي كاري از لحاظ دبي حجمي سيال و كاهش حجم مورد نياز بررسي شده، كه براي سيال كاري R600a كمترين مقدار به دست آمد. همچنين تأثيرات دماي ورودي توربين بر دبي حجمي خروجي و اثر فشار ورودي توربين بر بازده انرژي و اگزرژي و بازگشت‌ناپذيري كل سيستم و اثر افزايش دماي محيط بر روي بازگشت‌ناپذيري هر يك از اجزا سيستم و اثر افزايش دماي محيط بر روي بازده اگزرژي بررسي ‌شده است. بر اساس نتايج به‌دست‌ آمده از ميان سيال­هاي كاري مورد بررسي، سيال R245fa از نظر بازده قوانين اول و دوم ترموديناميك براي به كارگيري در چرخه­ ي آلي بهترين عملكرد را داراست.

Increase of fuel price and limitation of carbon dioxide emission caused development of different techniques to enhance the thermal efficiency of internal combustion engines. One of these techniques is conversion of the waste thermal energy in the engine to mechanical or electrical energies. This investigation concentrated on simulation, examination and application of waste heat from exhaust gases of MTU-16V internal combustion engine in an organic Rankine cycle based on the efficiency of first and the second laws of thermodynamics. Using 862 kW power of exhaust gases waste heat, the net powers of working fluids including R600a, R600 and R245fa were evaluated and the highest net output power was calculated to be 37.23 kW for R245fa working fluid. This working fluid increased the output power to approximately 2% and 6% in comparison with R600 and R600a fluids, respectively. Moreover, the mentioned working fluids were examined for volumetric flow rate and required volume contraction, where the lowest value was obtained for R600a. On the one hand, the effect of turbine inlet temperature on the volumetric flow rate, and effect of turbine inlet pressure on energy efficiency, exergy efficiency and irreversibility of the whole system were investigated. On the other hand, the influence of ambient temperature increase on irreversibility of each system component was studied. Based on the obtained results, R245fa fluid showed the best performance to be used in organic cycle from the viewpoint of the first and second laws of thermodynamics.