Atık ısının kalina çevrimleri ile geri dönüştürülebilirliğinin hesabı, enerji ve ekserji analizi

Abstract

Atık ısıyı elektriğe dönüştürmek, enerji verimliliğini artırma ve çevresel etkileri azaltma konusundaki muazzam potansiyeli nedeniyle bilim adamlarının yıllardır ilgisini çekmiştir. Kayıp enerjiyi geri kazanmak için çok sayıda uygulama olsa da bunlar genellikle gerçek dünyada bir etki yaratacak kadar verimli veya ucuz değildir. Bu çalışmanın amacı, Hatay'da faaliyet gösteren atık geri dönüşüm fabrikası için bir ısı geri kazanım sistemi geliştirmektir. Kombine bir ısı ve güç motorundan çıkan (CHP) egzoz gazını ve ceket suyu atığındaki ısıyı çıkarmak için Kalina Çevrimi (KC) Organik Rankine Çevrimi (ORC) ile birleştirilmiştir. KC'de çalışma sıvısı olarak çeşitli konsantrasyonlarda amonyak-su karışımı seçilirken, ORC için sırasıyla R123, R236ea ve R124 seçilmiş ve test edilmiştir. Çalışma sıvılarının seçimi, diğer çalışma sıvısı seçenekleri daha fazla araştırılmadan, küresel ısınma (GWP) ve ozon tabakasını inceltme potansiyeli (ODP) gibi belirli çevresel etkilere dayalı olarak yapılmıştır ve bu çalışmanın bir sınırlaması olarak kabul edilebilir. Kütle oranı, türbin giriş basıncı ve giriş sıcaklığı gibi KC parametrelerinin optimal değerleri sırasıyla %90, 430 ◦C ve 90 bar olarak bulunmuştur. KC, daha sonra, üç farklı çalışma sıvısı kullanılarak ORC ile birleştirilmiştir ve R123 akışkanın en iyi sonuçları verdiği görülmüştür. Kombine çevrimin net gücü, ekserjisi ve ısıl verimi sırasıyla 211.03 kW, %52.83 ve %26.50 olarak hesaplanmış ve geri ödeme süresi ise 4,2 yıl olarak tahmin edilmiştir. Çalışmayı daha ileri seviyeye taşımak adına mevcut kombin çevrim R123 ve R600a çalışma akışkanları kullanılarak optimize edilen entegre CO2 ve ORC kombin çevrimi ile de net güç, termal ve ekserji verimleri açısından da mukayese edilmiştir. Elde edilen sonuçların uygulanabilirlik alanının burada incelenen iklim koşulları ile sınırlı olduğu unutulmamakla beraber KC ve ORC kombinasyonunun atık ısı enerjisinin geri kazanılması için verimli bir şekilde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Converting waste heat into electricity has captured the interest of scientists for years because of its enormous potential to improve energy efficiency and to lessen environmental impacts. While there are numerous applications to recover lost energy, they are often not efficient or cheap enough to make a real-world impact. The aim of this study is to develop a heat recovery system for the waste recycling factory operating in Hatay, Turkey. We combined the Kalina Cycle (KC) with the Organic Rankine Cycle (ORC) to extract exhaust gas and jacket water waste heat from a combined heat and power engine (CHP). An ammonia– water mixture was selected as the working fluid in KC, while R123, R236ea and R124 were chosen and tested for the ORC. The selection of working fluids was made based on certain environmental impacts such as global warming potential (GWP) or ozone depletion potential (ODP), without further exploring other working fluid options, which could be considered a limitation of this study. The optimal values of KC parameters, including mass fraction, turbine inlet pressure and inlet temperature, were found to be 90%, 430 _C and 90 bar, respectively. The KC was then combined with the ORC using three different working fluids, among which R123 yielded the best results. The net power, exergy and thermal efficiency of the combined cycle were calculated as 211.03 kW, 52.83% and 26.50%, respectively, while the payback period was estimated to be 4.2 years. In addition to this, system is also compared with combined CO2 and ORC which uses R123 and R600a as working fluids in terms of net power, thermal and exergic efficiencies in order to improve the study. It should be noted that the applicability domain of the obtained results is limited to the climate conditions studied here. We concluded that the combination of the KC and ORC can be efficiently used for the recovery of waste heat energy.