مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل ترمو اقتصادی سیستم جدید تولید سه‌گانه بر پایه پیل سوختی اکسید جامد و توربین گازی با سوخت هیدروژن

نویسندگان
نقی آقازاده 1
شهرام خلیل آریا 2
صمد جعفر مدار 3
عطا چیت ساز خویی 4
1 دانشجوی دکتری دانشگاه ارومیه
2 هیئت علمی دانشگاه ارومیه
3 مدیر گروه مکانیک
4 استادیار دانشکده مکانیک دانشگاه ارومیه
چکیده
در این تحقیق، یک چرخه جدید تولید همزمان توان، سرمایش و گرمایش متشکل از پیل سوختی اکسید جامد، توربین گاز، مولد بخار بازیافت حرارت، چرخه تبرید جذبی گکس و مبادله‌کن گرمای بازیافت حرارت از دیدگاه ترمودینامیکی و اقتصادی مورد مطالعه قرار گرفته است. مدل‌سازی این چرخه از طریق حل همزمان معادلات الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی اجزاء و روابط اگزرژی – اقتصادی صورت گرفته است. نتایج بدست آمده بیانگر آن است که اگزرژی کل چرخه ترکیبی پیشنهادی 14.9% بیشتر و نرخ بازگشت‌ناپذیری این چرخه 10.6% کمتر از چرخه ترکیبی پیل سوختی- توربین گازی – چرخه گکس، در شرایط مشابه می‌باشد. همچنین، پیل سوختی و پس‌سوز بدلیل بازگشت ناپذیری‌ها، بیشترین نرخ تخریب اگزرژی را در بین اجزاء دارند. با توجه به نتایج اگزرژی اقتصادی، به ازای شرایط مشخص، مجموع هزینه واحد اگزرژی محصولات، ضریب اگزرژواکونومیکی، نرخ هزینه خرید کل تجهیزات چرخه و نرخ هزینه تخریب اگزرژی کل سیستم به ترتیب 331.1 دلار بر گیگا ژول، 29.3%، 10.47 دلار بر ساعت و 25.32 دلار بر ساعت بدست آمد. مطالعات پارامتری نشان داد که افزایش چگالی جریان موجب افزایش توان خالص خروجی، ظرفیت گرمایی مولد بخار بازیافت حرارت، برودت تولیدی، ظرفیت گرمایی مبادله‌کن بازیافت حرارت و بازگشت‌ناپذیری کل چرخه می‌گردد. همچنین با افزایش چگالی جریان، بازده اگزرژی و مجموع هزینه واحد اگزرژی محصولات کاهش پیدا می‌کنند.
کلیدواژه‌ها
پیل سوختی اکسید جامد
چرخه تبرید گکس
مولد بخار بازیافت حرارت
تولید همزمان
تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی

موضوعات

عنوان مقاله English

Thermoeconomic analysis of a novel trigeneration system based on solid oxide fuel cell and gas turbine with hydrogen fuel

نویسندگان English

naghi aghazadeh 1
Shahram Khalilarya 2
samad Jafarmadar 3
Ata Chitsaz Khoyi 4
1 urmia University
2 professor at mechanical engineering college of Urmia university
3 Urmia University
4 Assistant professor at mechanical engineering college of Urmia university
چکیده English

In this article, a new power, cooling and heating cogeneration system consisting of a solid oxide fuel cell (SOFC) - gas turbine (GT), a heat recovery steam generator (HRSG), Generator-Absorber-heat eXchange (GAX) absorption refrigeration cycle and a heat exchanger for heat recovery (HR) has been studied from a thermodynamic and economic perspective. The modeling of this cycle was done by solving the electrochemical, thermodynamic and exergoeconomic equations for fuel cell and system components, simultaneously. The results showed that the exergy of our proposed combined cycle is 14.9% more and the irreversibility rate of this cycle is 10.6% less than that of the combined SOFC-GT-GAX systems in the same conditions. Also, the fuel cell and the afterburner have the highest rate of exergy destruction among other components due to irreversibility. Exergoeconomic analysis showed that the sum of uint cost of products (SUCP), the exergoeconomic factor, the capital cost rate and the exergy destruction cost rate for the overall system is equal to 331.1 $/GJ, 29.3%, 10.47 $/h and 25.32 $/h, respectively. Parametric studies showed that increasing the current density will increase the net electrical power, heating capacity of HRSG and HR heat exchanger, cooling capacity and total irreversibility. Also, with increasing of the current density, both the exergy efficiency and SUCP decrease.

کلیدواژه‌ها English

Solid oxide fuel cell
GAX
HRSG
cogeneration
Thermodynamic and Exergoeconomics
[1] L. Khani, S.M.S. Mahmoudi, A New Electrical Power and Cooling Cogeneration Cycle Based on a Solid Oxide Fuel Cell, Amirkabir J. Mech. Eng, Vol. 49, No. 1 , pp. 231-237, 2017. (in Persianفارسی )
[2] J. Pirkandi, M. Ghassemi, M. H. Hamedi, R. Mohammadi, Electrochemical and thermodynamic modeling of a CHP system using tubular solid oxide fuel cell (SOFC-CHP), Journal of Cleaner Production, Vol. 29, pp. 151-162, 2012.
[3] D. F. Cheddie, Thermo-economic optimization of an indirectly coupled solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid power plant, International journal of hydrogen energy, Vol. 36, No. 2, pp. 1702-1709, 2011.
[4] A. V. Akkaya, B. Sahin, H. H. Erdem, Exergetic performance coefficient analysis of a simple fuel cell system, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 17, pp. 4600-4609, 2007.
[5] S. Chan, H. Ho, Y. Tian, Modelling of simple hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine power plant, Journal of power sources, Vol. 109, No. 1, pp. 111-120, 2002.
[6] A. V. Akkaya, B. Sahin, H. H. Erdem, An analysis of SOFC/GT CHP system based on exergetic performance criteria, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, No. 10, pp. 2566-2577, 2008.
[7] H. Xu, Z. Dang, B.-F. Bai, Analysis of a 1 kW residential combined heating and power system based on solid oxide fuel cell, Applied Thermal Engineering, Vol. 50, No. 1, pp. 1101-1110, 2013.
[8] S. Ma, J. Wang, Z. Yan, Y. Dai, B. Lu, Thermodynamic analysis of a new combined cooling, heat and power system driven by solid oxide fuel cell based on ammonia–water mixture, Journal of Power Sources, Vol. 196, No. 20, pp. 8463-8471, 2011.
[9] F. Ranjbar, A. Chitsaz, S. Mahmoudi, S. Khalilarya, M. A. Rosen, Energy and exergy assessments of a novel trigeneration system based on a solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, Vol. 87, pp. 318-327, 2014.
[10] L. Khani, S. M. S. Mahmoudi, A. Chitsaz, M. A. Rosen, Energy and exergoeconomic evaluation of a new power/cooling cogeneration system based on a solid oxide fuel cell, Energy, Vol. 94, pp. 64-77, 2016.
[11] A. Mehr, V. Zare, S. Mahmoudi, Standard GAX versus hybrid GAX absorption refrigeration cycle: from the view point of thermoeconomics, Energy conversion and management, Vol. 76, pp. 68-82, 2013.
[12] A. Ramesh Kumar, M. Udayakumar, Studies of compressor pressure ratio effect on GAXAC (generator–absorber–exchange absorption compression) cooler, Applied Energy, Vol. 85, No. 12, pp. 1163-1172, 2008.
[13] E. G. t. services, Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), Morgantown: U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.
[14] A. V. Akkaya, Electrochemical model for performance analysis of a tubular SOFC, International Journal of Energy Research, Vol. 31, No. 1, pp. 79-98, 2007.
[15] J. Larminie, A. Dicks, M. S. McDonald, Fuel cell systems explained: J. Wiley Chichester, UK, 2003.
[16] I. Dincer, Y. A. Cengel, Energy, entropy and exergy concepts and their roles in thermal engineering, Entropy, Vol. 3, No. 3, pp. 116-149, 2001.
[17] A. Bejan, G. Tsatsaronis, Thermal design and optimization: John Wiley & Sons, 1996.
[18] J. Szargut, Exergy method: technical and ecological applications: WIT press, 2005.
[19] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, M. B. Bailey, Fundamentals of engineering thermodynamics: John Wiley & Sons, 2010.
[20] A. Chitsaz, A. Mehr, S. Mahmoudi, Exergoeconomic analysis of a trigeneration system driven by a solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, Vol. 106, pp. 921-931, 2015.
[21] R. Ahmadi, S. M. Pourfatemi, S. Ghaffari, Exergoeconomic optimization of hybrid system of GT, SOFC and MED implementing genetic algorithm, Desalination, Vol. 411, pp. 76-88, 2017.
[22] H. Athari, S. Soltani, M. A. Rosen, S. M. S. Mahmoudi, T. Morosuk, A comparative exergoeconomic evaluation of biomass post-firing and co-firing combined power plants, Biofuels, Vol. 8, No. 1, pp. 1-15, 2017.
[23] E. Akrami, A. Chitsaz, H. Nami, S. Mahmoudi, Energetic and exergoeconomic assessment of a multi-generation energy system based on indirect use of geothermal energy, Energy, Vol. 124, pp. 625-639, 2017.
[24] I. Dincer, M. A. Rosen, P. Ahmadi, Optimization of Energy Systems: John Wiley & Sons, 2017.
[25] S. Singhal, Advances in solid oxide fuel cell technology, Solid state ionics, Vol. 135, No. 1, pp. 305-313, 2000.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 7
آبان 1397
صفحه 119-130