مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل و بررسی ترمواقتصادی بازیابی گرمای اتلافی حاصل از به‌کارگیری گازهای خروجی در کنار آب خنک‌کن محفظه موتور کشتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علوم دریایی امام خمینی(ره)، نوشهر، ایران
چکیده
سیستم‌های بازیاب که از منابع اتلافی به‌عنوان ورودی خود استفاده می‌کنند، از اهمیت فراوانی در صنعت برخوردارند، چرا که این‌گونه سیستم‌ها از جریان‌هایی بهره می‌گیرند که در صورت عدم استفاده به هدر خواهند رفت. موتور کشتی‌ها یکی از مکان‌هایی است که مقدار قابل توجهی از انرژی به صورت‌های مختلف به هدر می‌رود. در پژوهش حاضر ایده استفاده از این مسیرهای اتلافی و تولید توان مفید در قالب دو سیستم ارایه شده است. در سیستم نخست، تنها از گرمای گازهای خروجی موتور کشتی استفاده شده است؛ در حالی که در سیستم دوم به‌طور تلفیقی از آب خنک‌کن محفظه در کنار مسیر گازهای خروجی بهره گرفته شده است. به‌منظور انتخاب سیال کاری مناسب، پایشی در میان سیال‌های ارگانیک موجود انجام یافته و پنج سیال کاری به‌عنوان مبردهایی که از نظر شاخص‌های فیزیکی، ایمنی و زیست‌محیطی در نظر گرفته شده از مطلوبیت بالاتری برخوردار هستند، انتخاب شده است. تحلیل‌ها نشان می‌دهند که استفاده از مبرد R۶۰۰a بالاترین توان خروجی را حاصل می‌کند که در بهترین حالت به حدود ۵۷۵kW می‌رسد. مقایسه دو سیستم بررسی‌شده نیز نشان می‌دهد که پیش‌گرم‌کردن سیال کاری توسط آب خنک‌کن محفظه سبب بهبود عملکرد سیستم می‌شود و توان خروجی در حدود ۵۸-۳۱% در سیال‌های کاری مختلف افزایش می‌یابد. بررسی نرخ بازگشت سرمایه در دو سیستم بررسی‌شده و سیال‌های کاری گوناگون نیز نشان می‌دهد که پایین‌ترین مقدار بازگشت سرمایه با استفاده از سیال کاری R۶۰۰a در سیستم دوم به‌ دست می‌آید که برابر با ۳/۴۸سال است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Thermo-economic Analysis of Waste Heat Recovery by the Use of Engine Exhaust Gases beside the Jacket Cooling Water of the Marine Engine

نویسندگان English

S. Khalili Sarbangholi 1
Y. Aghdoud Chaboki 2
1 Mechanical Engineering Faculty, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Mechanical Engineering Faculty, University of Marine Sciences Imam Khomeini, Nowshahr, Iran
چکیده English

Waste heat recovery systems, which make use of waste sources for their input energy, have considerable importance in industry since they utilize streams, which will be disposed to nature if not employed. Ship’s engines are one of the places, where a large amount of energy is wasted in different forms. In the present article, the idea of making use of these loss streams and consequently producing useful power in the outlet is proposed in the form of two systems. In the first system, the only stream of exhaust gases is utilized, while in the second system, the jacket cooling water is used together with the engine exhaust gases. Screening in the working fluids is conducted in order to select appropriate fluids, which have suitable characteristics in the physical, safety, and environmental aspects. The analyses indicate that using R600a presents the highest net power output, which reaches to the value of about 575 kW at the most. Comparison of the two introduced systems shows that preheating the working fluid by the jacket cooling water makes the better operation of the system and the power output is increased up to about 31-58% in different fluids. The lowest payback period in the systems is achieved through the use of R600a as the working fluid, which is about 3.48 year in the second system.

کلیدواژه‌ها English

Recovery System
Exhaust Gases
Thermo-economic
Fuel Conservation
Reduction of Pollutants
Abedin MJ, Masjuki HH, Kalam MA, Sanjid A, Ashrafur Rahman SM, Masum BM. Energy balance of internal combustion engines using alternative fuels. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013;26:20-33. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2013.05.049]
Chintala V, Subramanian KA. Assessment of maximum available work of a hydrogen fueled compression ignition engine using exergy analysis. Energy. 2014;67(C):162-175. 12- Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M. Thermal design and optimization. Hoboken: John Wiley & Sons; 1996. 15- Kakac S, Liu H, Pramuanjaroenkij A. Heat Exchangers: Selection, rating, and thermal design. 2nd Edition. Boca Raton: CRC Press; 2002. 21- Turton R, Bailie RC, Whiting WB. Analysis, synthesis and design of chemical processes. 4th Edition. Upper Saddle River: Prentice Hall; 2012. [Link]
Saidur R, Rezaei M, Muzammil WK, Hassan MH, Paria S, Hasanuzzaman M. Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(8):5649-5659. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2012.05.018]
Wei D, Lu X, Lu Z, Gu J. Performance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recovery. Energy Conversion and Management. 2007;48(4):1113-1119. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2006.10.020]
Larsen U, Sigthorsson O, Haglind F. A comparison of advanced heat recovery power cycles in a combined cycle for large ships. Energy. 2014;74:260-268. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2014.06.096]
Tian H, Shu G, Wei H, Liang X, Liu L. Fluids and parameters optimization for the organic Rankine cycles (ORCs) used in exhaust heat recovery of Internal Combustion Engine (ICE). Energy. 2012;47(1):125-136. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2012.09.021]
Roy JP, Mishra MK, Misra A. Performance analysis of an Organic Rankine Cycle with superheating under different heat source temperature conditions. Applied Energy. 2011;88(9):2995-3004. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2011.02.042]
Guo T, Wang HX, Zhang SJ. Selection of working fluids for a novel low-temperature geothermally-powered ORC based cogeneration system. Energy Conversion and Management. 2011;52(6):2384-2391. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2010.12.038]
Wang EH, Zhang HG, Fan BY, Ouyang MG, Zhao Y, Mu QH. Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery. Energy. 2011;36(5):3406-3418. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2011.03.041]
Xie H, Yang C. Dynamic behavior of Rankine cycle system for waste heat recovery of heavy duty diesel engines under driving cycle. Applied Energy. 2013;112:130-141. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2013.05.071]
Shu G, Li X, Tian H, Liang X, Wei H, Wang X. Alkanes as working fluids for high-temperature exhaust heat recovery of diesel engine using organic Rankine cycle. Applied Energy. 2014;119:204-217. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2013.12.056]
Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M. Thermal design and optimization. Hoboken: John Wiley & Sons; 1996. 15- Kakac S, Liu H, Pramuanjaroenkij A. Heat Exchangers: Selection, rating, and thermal design. 2nd Edition. Boca Raton: CRC Press; 2002. 21- Turton R, Bailie RC, Whiting WB. Analysis, synthesis and design of chemical processes. 4th Edition. Upper Saddle River: Prentice Hall; 2012. [Link]
Garousi Farshi L, Khalili S, Mosaffa AH. Thermodynamic analysis of a cascaded compression-absorption heat pump and comparison with three classes of conventional heat pumps for the waste heat recovery. Applied Thermal Engineering. 2018;128:282-296. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.09.032]
Dikici A, Akbulut A. Performance characteristics and energy-exergy analysis of solar-assisted heat pump system. Building and Environment. 2008;43(11):1961-1972. [Link] [DOI:10.1016/j.buildenv.2007.11.014]
Garousi Farshi L, Mahmoudi SMS, Rosen MA, Yari M, Amidpour M. Exergoeconomic analysis of double effect absorption refrigeration systems. Energy Conversion and Management. 2013;65:13-25. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2012.07.019]
Dixit M, Arora A, Kaushik SC. Thermodynamic and thermoeconomic analyses of two stage hybrid absorption compression refrigeration system. Applied Thermal Engineering. 2017;113:120-131. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2016.10.206]
Zhang Ch, Liu Ch, Wang Sh, Xu X, Li Q. Thermo-economic comparison of subcritical organic Rankine cycle based on different heat exchanger configurations. Energy. 2017;123:728-741. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2017.01.132]
Lakew AA, Bolland O. Working fluids for low-temperature heat source. Applied Thermal Engineering. 2010;30(10):1262-1268. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2010.02.009]
Shah MM. A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1979;22(4):547-556. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(79)90058-9]
20- Shah MM. A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1979;22(4):547-556. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(79)90058-9]
Turton R, Bailie RC, Whiting WB. Analysis, synthesis and design of chemical processes. 4th Edition. Upper Saddle River: Prentice Hall; 2012. [Link]
Saleh B, Koglbauer G, Wendland M, Fischer J. Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles. Energy. 2007;32(7):1210-1221. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2006.07.001]