مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی کنترل‌شده با قیود و ارزیابی اگزرژی یک سیکل ساده رانکین آلی مبتنی بر سیال R1233zd(E) برای بازیابی حرارت گازهای خروجی دما‌بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 I -نشگاه علم وصنعت ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک،,دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
10.48311/mme.2026.122197.83061
چکیده
جریان‌های گاز خروجی دمای بالا ظرفیت قابل‌توجهی برای بازیابی انرژی دارند، اما عملکرد سیکل رانکین آلی (ORC) اغلب تحت اثر قیود حرارتی و خواص سیال قرار می‌گیرد. در این پژوهش، چارچوبی برای بهینه‌سازی مقید، ارزیابی اگزرژی و تحلیل حساسیت یک ORC زیرِبحرانی با سیال کم‌پتانسیل گرمایش جهانی R1233zd(E) توسعه یافته است. منبع حرارتی، گاز خروجی توربین گاز طبیعی با ترکیب ثابت، دمای 543 درجه سلسیوس و دبی جرمی 80.4 کیلوگرم بر ثانیه است و خواص وابسته به دمای آن با روابط NASA7 محاسبه می‌شود. مولد بخار بازیاب حرارت جریان مخالف با قید پینچ 15 کلوین، حداقل دمای دودکش 120 درجه سلسیوس و محدودیت اختلاف دمای آب خنک‌کن مدل‌سازی شده است. متغیرهای تصمیم، نسبت فشار تبخیر، دمای چگالش و فوق‌گرمایش هستند و خواص سیال عامل با CoolProp 7.2.0 محاسبه می‌شوند. اجرای مستقل مجدد بهینه‌سازی، همان نقطه طراحی مرزی کنترل‌شده توسط قیود را در تلرانس عددی بازتولید کرد. این نقطه در نسبت فشار تبخیر 0.849996، دمای چگالش 38.000 درجه سلسیوس و فوق‌گرمایش 4.580 کلوین، توان خالص 6119.49 کیلووات و بازده حرارتی 16.388 درصد دارد. قیود دمای دودکش، اختلاف دمای کندانسور و حاشیه ایمنی دمای بحرانی فعال‌اند، اما حداقل اختلاف دمای واقعی HRVG برابر 80.18 کلوین است و غیرفعال بودن قید پینچ را نشان می‌دهد. کاهش اگزرژی فیزیکی گاز داغ حدود 18.22 مگاوات و نسبت بازیابی اگزرژی فیزیکی 33.58 درصد است. تحلیل اجزا، HRVG را منبع غالب برگشت‌ناپذیری نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهند عدم تطابق دمایی منبع و سیال عامل، عملکرد ORC زیرِبحرانی R1233zd(E) را در بازیابی حرارت دمای بالا محدود می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Constraint-controlled optimization and exergy assessment of a simple R1233zd(E) ORC for high-temperature exhaust heat recovery

نویسندگان English

Neginsadat Hoseininavid 1
Reza Taghavi Zenouz 2
1 IIran university of science and technology
2 Iran University of science and Technology, Tehran , Iran
چکیده English

High-temperature exhaust streams contain substantial recoverable energy, but simple organic Rankine cycle (ORC) performance is often governed by interacting thermal and fluid-property constraints. This study develops a physically constrained optimization, exergy assessment, and sensitivity framework for a simple subcritical ORC using low-global-warming-potential R1233zd(E). A fixed-composition natural-gas-turbine exhaust enters at 543 °C and 80.4 kg s⁻¹, with temperature-dependent properties evaluated using NASA7 ideal-gas correlations. The counter-flow heat-recovery vapor generator includes a 15 K pinch constraint, a 120 °C minimum stack temperature, and cooling-water approach limits. Decision variables are evaporation-pressure ratio, condensation temperature, and superheating degree; working-fluid properties are calculated with CoolProp 7.2.0. An independent numerical rerun reproduces the same constraint-controlled boundary design within numerical tolerance. The retained design delivers 6119.49 kW net power and 16.388% thermal efficiency at an evaporation-pressure ratio of 0.849996, condensation temperature of 38.000 °C, and 4.580 K superheating. The stack-temperature, condenser-approach, and critical-temperature safety constraints are active, while the actual minimum HRVG temperature difference is 80.18 K, confirming that the pinch constraint is inactive. The hot-gas physical-exergy decrease is about 18.22 MW, with a net physical-exergy recovery ratio of 33.58%. Exergy analysis identifies the HRVG as the main source of irreversibility. Overall, the results show that source–working-fluid temperature mismatch limits the suitability of a simple subcritical R1233zd(E) cycle for high-temperature exhaust recovery.

کلیدواژه‌ها English

Organic Rankine cycle
R1233zd(E)
waste-heat recovery
constrained optimization
exergy analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 10 آبان 1405