بهينه سازي چرخة آلي رانكين به منظور بازيابي گرماي اتلافي موتور سه استوانة پرخوران بنزيني

Organic Rankine cycle optimization for waste heat recovery of three-cylinder turbocharged gasoline engine

در خودرو هاي سواري رايج، بيشترين هدر رفت انرژي از دو منبع دود راهگاه خروجي و سامانه خنك كننده موتور صورت مي گيرد. مقاله حاضر با تمركز بر اين دو منبع گرمايي، عملكرد يك سامانه بازيابي گرماي اتلافي مبتني بر چرخه آلي رانكين (چار)، در بازيافت انرژي اتلافي از موتور بنزيني يك خودروي سواري را بررسي كرده است. هدف از اين پژوهش يافتن شرايط كاري بهينه چار و انتخاب بهترين سيال كاري به منظور استحصال بيشينه توان خالص خروجي از چرخه بازيابي است. براي دستيابي به اين مقصود، الگوي ترموديناميكي پايا و صفر بعدي سامانه چار مبنا در نقطه اي از نقشه عملكرد موتور به عنوان نقطه معيار، كه از شبيه سازي كاركرد خودرو بر اساس چرخه استاندارد رانندگي شهري بدست آمده، در نرم افزار ترموفلكس طراحي گرديد. با در نظر گرفتن گستردگي تعداد و تنوع سيالات كاري، 23 سيال عامل اعم از سيالات خالص و مخلوط ارزيابي شدند، و همچنين شرايط كاري بهينه سامانه مبنا با در نظر گرفتن شار جرمي سيال عامل، نقطه طراحي چگالنده و فشار كاري گردا و چگالنده به عنوان متغيرهاي طراحي براي هر ماده كاري از طريق بهينه سازي آن با روش سيمپلكس داونهيل استخراج گرديد. در انتها با در اختيار داشتن داده هاي آزمايشگاهي براي 320 نقطه از نقشه كاري موتور، كارآيي چرخه مبناي بهينه شده در تركيب با تمام منطقه عملكرد موتور ارزيابي شد. نتايج نشان داد بيشترين توان خالص استحصالي، از سيالات R507a ، R410a و R125 بدست آمده است، كه بيانگر عملكرد بهتر مخلوط هاي زيوتروپيك و آزيوتروپيك در بازيابي گرماي اتلافي موتور با چار است و در بهترين حالت در مناطق كم بار 2،6 كيلووات در منطقه اوج كارايي گرمايي 6،6 كيلووات توان خالص از چرخه استحصال شد.

In conventional passenger cars, two-third of the energy is wasted from the exhaust gas and engine cooling system. The present study has investigated the performance of a waste heat recovery (WHR) system based on the Organic Rankine Cycle (ORC) for the turbocharged gasoline direct injection engine. The optimal working conditions along with the best working fluid of the organic Rankin cycle to obtain the maximum net output power (NOP) from the recovery cycle are investigated. The steady-state zero-dimensional thermodynamic model of basic ORC at a series of engine operating conditions is designed in Thermoflex software. The working point of the engine has obtained by simulation of vehicle performance based on the standard urban driving cycle. Considering numerous and varied working fluids, 23 working fluids including pure and mixture fluids are evaluated. The mass flow rate of working fluid, condenser pinch, turbine inlet pressure, and condenser working pressure are considered as the optimization design variables and the optimum operating conditions of the basic ORC extracted for each working fluid using the Downhill Simplex method. Finally, by having experimental data for 320 points of the engines map, the efficiency of the optimized basic cycle was analyzed in combination with engine’s entire operating region. The results showed that R-507a, R-410a and R-125 present highest NOP respectively which indicate better performance of zeotropic and Azeotropic mixtures in engine WHR by ORC and for the best case, NOP reached to 2.6 kw in small load region and 6.6 kw in the peak thermal efficiency region.