Thermo-economic optimization of organic Rankine cycle for waste heat recovery

Abstract

يتم إنشاء قدر كبير من الحرارة المهدرة كمنتج ثانوي في العمليات الصناعية. ومع ذلك، فإن معظم الحرارة المهدرة منخفضة الدرجة يتم التخلص منها مباشرة في البيئة دون استخدامها. مع فوائد كفاءة استخدام الطاقة، والقدرة على توليد الطاقة والصداقة البيئية، تمثل دورة رانكين العضويةنهجًا فعالًا لاستعادة الطاقة من الحرارة الضائعة منخفضة الدرجة.أولاً، يتم تقديم لمحة عامة عن النمو التاريخي والحالة التكنولوجية والتطبيقية الحالية لدورة رانكين العضوية. ثانيًا، يتم التحقيق في مفهوم دورة رانكين العضوية مع اعادة تسخين البخار. وبشكل أكثر تحديدًا، تم تصميم نموذج إعادة تسخين البخار، باستخدام أنواع سوائل عمل مختلفة. تم استخدام الخوارزمية الجينية لحساب القيم المثلى لضغط التبخر، بالإضافة إلى ضغط إعادة التسخين ودرجة حرارة التحميص ودرجة حرارة نقطة الضغط من أجل تعظيم كفاءة الإكسرجي وتقليل التوصيل الحراري الكلي. تشير النتائج إلى أن السوائل الرطبة تنتج طاقة أكبر مقارنة بالسوائل الجافة والإيزونتروبيا. في حالة السوائل الرطبة، يكون لحرارة التحميص تأثير إيجابي على كفاءة الطاقة، ومع ذلك، بالنسبة للسوائل الجافة و الإيزونتروبيا، فإن زيادة درجة حرارة التحميص تقلل من إنتاج الطاقة. علاوة على ذلك، فإن درجة حرارة التحميص المثلى تقترب من الحد الأعلى للسوائل الرطبة. تكشف النتائج أنه يمكن تحقيق أقصى قدر من الكفاءة البالغة 49.1٪ من خلال إضافة المبادل الحراري الداخلي إلى النظام، والذي يتوافق مع تحسن بنسبة 13.6٪ مقارنةً بـالدورة الاساسية.المبخر والمكثف هما المكونان اللذان يحتويان على أعلى مساهمة في الإكسرجي المدمر، على التوالي.تمثلدورة رانكين العضويةمعمبادل حراري داخليالتدمير الأقل للطاقة للمبخر والعنفة. يرجع هذا النقص في الإكسرجي المدمر بشكل أساسي إلى وجود المبادل الحراري.تظهر هذه النتائج أنه يجب تصميم المبخر والمكثف بشكل أفضل لتقليل الإكسرجي المدمر في هذه المكونات.علاوة على ذلك، تم إجراء تحسين اقتصادي حراري لأنظمة استرداد الحرارة المهدرةباستخدام تكوينات مختلفة من دورات رانكين العضوية. تشير النتائج إلى أن اختيار تكلفة إنتاج الكهرباءوصافي العمل كدوال استمثال يمكن أن يكون أكثر جاذبية لتكوينات دورة رانكين العضوية، بسبب الاستخدام الكامل للحرارة وانخفاض تكلفة إنتاج الكهرباء لجميع سوائل العمل. بمقارنة تكوينات الدورة، تظهر دورة رانيكن العضوية مع مبادل حراري داخلي ما يقرب من 0.4-5٪ و 2.53-8.78٪ أعلى من صافي العمل مقارنةً بـدورة رانكين مع مسترجعوالدورة الأساسية، على التوالي. ومع ذلك، فإن دورة رانكين مع مسترجع مناسبة في الغالب للسوائل الرطبة. علاوة على ذلك، يحتوي التكوينالأساسي على أدنى تكلفة إنتاج الكهرباء، يليه التكوين مع المسترجع، بينما يحتوي التكوين مع مبادل حراري داخلي على أعلى تكلفة إنتاج الكهرباء؛ تتأثر تكلفة إنتاج الكهرباء بشدة بتكوين الدورة، بغض النظر عن نوع سائل العمل. على وجه الخصوص، وجد أن سوائل العمل التي تصل إلى الأداء الأمثل هي تلك التي لديها درجة حرارة تبخر مثالية لدرجة حرارة مدخل مصدر الحرارة بين 0.68-0.75 و 0.66-0.73 و 0.64-0.73 لـ للتكوين الاساسي والتكوين مع مبادل حراري داخلي والتكوينالمعدل، على التوالي.

A significant amount of waste heat is generated as a by-product in industrial processes. However, most of the low-grade waste heat is directly dismissed into the environment without being used. With the benefits of energy efficient, power generation capabilities and environmentally-friendliness, the Organic Rankine Cycle (ORC) represents an effective approach to recover energy from low-grade waste heat. Firstly, an overview of the historical growth and current technological and application status of the ORC technology is presented. Secondly, the concept of reheat ORC is investigated. More specifically, a reheat ORC is modelled, using different working fluids types. The genetic algorithm was used to calculate the optimal values of the evaporation pressures of the reheat ORC, as well as, reheat pressure, superheat degree and pinch point temperature in order to maximize the exergy efficiency and minimise total thermal conductance. The results indicate that wet fluids produce more power output compared to dry and isentropic fluids. In the case of wet fluids, superheat has a positive impact on exergy efficiency, however, for dry and isentropic fluids the increase of superheat degree decreases the power output. Moreover, the optimal superheat degree approaches its upper bound for wet fluids. The results reveal that a maximum of 49.1% exergetic efficiency can be achieved by the addition of Internal Heat Exchanger (IHE) to the system, which corresponds to a 13.6% improvement compared to the ORC without IHE. The evaporator and condenser are the components with the highest exergy destruction contribution, respectively. The ORCs with IHE represent the lower exergy destruction of evaporator and expander. This exergy reduction is mainly due to the presence of the IHE. These results show that evaporator and condenser must be better designed to decrease the exergy destructions in these components. Furthermore, a thermo-economic optimization of waste heat recovery systems using different ORC configurations has been performed. Results indicate that, the selection of electricity production cost (EPC) and net power output as objectives can be more attractive for ORC configurations, due to the full utilization of the possible heat in the exhaust gas and to the low EPC for all working fluids. Comparing the cycle configurations, ORC with IHE exhibits approximately 0.4-5% and 2.53-8.78% higher net power output compared to regenerative ORC and basic ORC, respectively. However, regenerative ORC is mostly suitable for wet fluids. Moreover, the basic ORC configuration has the lowest EPC, followed by the regenerative configuration, while ORC-IHE has the highest EPC; the EPC is highly affected by the cycle configuration, regardless of the working fluid type. In particular, it is found that, the working fluids reaching the optimal performance are those that have an optimal evaporation temperature to inlet temperature of the heat source ratio between 0.68-0.75, 0.66-0.73 and 0.64-0.73 for basic-ORC, ORC-IHE and regenerative ORC, respectively.

Une quantité importante de chaleur résiduelle est générée comme sous-produit dans les processus industriels. Cependant, la majorité de cette chaleur résiduelle de faible qualité est directement rejetée dans l’environnement sans être utilisée. Avec ses avantages en termes d’efficacité énergétique, de capacité de production d’énergie et de respect de l’environnement, le cycle organique de Rankine représente une méthode efficace pour récupérer l’énergie de la chaleur résiduelle de faible qualité. Tout d’abord, une vue d’ensemble de la croissance historique et de l’état de l’art des cycles ORC est présentée. Ensuite, le concept d’ORC avec resurchauffe est étudié. Plus précisément, un ORC avec resurchauffe est modélisé, en utilisant différents types de fluides de travail. L’algorithme génétique a été utilisé pour calculer les valeurs optimales des pressions d’évaporation, ainsi que la pression de resurchauffe, le degré de surchauffe et la température du point de pincement du cycle, afin de maximiser l’efficacité éxergétique et de minimiser la conductance thermique totale. Les résultats indiquent que les fluides humides produisent plus de puissance par rapport aux fluides secs et isentropiques. Dans le cas des fluides humides, la surchauffe a un impact positif sur l’efficacité éxergétique, cependant, pour les fluides secs et isentropiques, l’augmentation du degré de surchauffe diminue la puissance produite. De plus, le degré de surchauffe optimal se rapproche de sa limite supérieure pour les fluides humides. Les résultats révèlent qu’un rendement éxergétique maximal de 49,1 % peut être atteint par l’ajout d’un récupérateur au système, ce qui correspond à une amélioration de 13,6 % par rapport à l’ORC sans récupérateur. L’évaporateur et le condenseur sont les éléments qui contribuent le plus à la destruction d’éxergie, respectivement. Les ORC avec récupérateur représentent la plus faible destruction d’exergie de l’évaporateur et du détendeur. Cette réduction d’exergie est principalement due à la présence durécupérateur. Ces résultats montrent que l’évaporateur et le condenseur doivent être mieux conçus pour diminuer la destruction d’exergie dans ces éléments. De plus, une optimisation thermoéconomique des systèmes de récupération de chaleur résiduelle utilisant différentes configurations ORC a été réalisée. Les résultats indiquent que la sélection des objectifs de coût de production d’électricité et de puissance nette peut être plus intéressante pour les configurations ORC, en raison de l’utilisation complète de la chaleur possible dans les gaz d’échappement et du faible coût de production d’électricité pour tous les fluides de travail. En comparant les configurations de cycle, l’ORC avec récupérateur présente une puissance nette supérieure d’environ 0,4-5 % et 2,53-8,78 % par rapport à l’ORC régénératif et l’ORC de base, respectivement. Cependant, l’ORC régénératif est surtout adapté aux fluides humides. Par ailleurs, la configuration ORC de base présente lecoût de production d’électricité le plus faible, suivie par la configuration régénérative, tandis que l’ORC avec récupérateur présente lecoût de production d’électricité le plus élevé ; lecoût de production d’électricité est fortement affecté par la configuration du cycle, indépendamment du type de fluide de travail. En particulier, il est constaté que les fluides de travail atteignant la performance optimale sont ceux qui ont un rapport optimal entre la température d’évaporation et la température d’entrée de la source de chaleur entre 0,68 -0,75, 0,66-0,73 et 0,64-0,73 pour l’ORC de base, l’ORC avec récupérateur et l’ORC régénératif, respectivement.