مدل‌سازي سيستم توليد همزمان گرمايش و برق با محرك اوليه موتور استرلينگ از ديدگاه مصرف سوخت و انتشار آلايندگي

Modeling of combined heating and power system driven by Stirling engine from the perspective of the fuel consumption and pollution emission

در اين مقاله به مدل‌سازي سيستم توليد همزمان گرمايش و برق با محرك اوليه موتور استرلينگ پرداخته شده است. سيستم مورد بررسي متشكل از يك موتور استرلينگ نوع بتا به عنوان محرك اوليه، سيستم يازيافت حرارت، ژنراتور برق و بويلر كمكي مي‌باشد. تحليل بكار برده شده در مورد موتور استرلينگ، تحليل آدياباتيك غيرايده‌آل مي باشد. براي افزايش دقت مدل‌سازي، تلفات اصطكاكي و حرارتي موتور استرلينگ نسبت به تحقيقات گذشته مورد بررسي قرار گرفته و تحليل آدياباتيك غيرايده‌آل با استفاده از كد عددي توسعه داده شده در نرم افزار متلب، انجام شده است. براي اعتبار سنجي مدل، از مشخصات هندسي و عملكردي موتور استرلينگ جي‌پي‌يو 3 استفاده شده و نتايج با نتايج آزمايشگاهي و ساير مدل‌هاي گذشته مورد مقايسه قرار گرفته است. سپس يك موتور استرلينگ نوع بتا به عنوان محرك اوليه سيستم توليد همزمان جهت كاربرد‌‌‌‌‌هاي ساختماني پيشنهاد شده است. استفاده از سيستم‌هاي توليد همزمان در كاربردهاي ساختماني وقتي متداول‌تر مي‌شود كه سيستم از لحاظ ميزان مصرف سوخت و انتشار آلايندگي در مقايسه با سيستم‌هاي توليد انرژي سنتي، مزيت قابل توجهي داشته ياشد. بدين منظور تاثير فركانس موتور، طول بازياب و دماي منبع گرم روي درصد كاهش مصرف سوخت و انتشار آلايندگي سيستم مورد بررسي قرار گرفته و مقادير مناسب براي پارامترهاي طراحي موتور، انتخاب شده است. در نهايت توان الكتريكي و حرارتي به ترتيب برابر با 11263 W و 21653 W و درصد كاهش مصرف سوخت و انتشار آلايندگي به ترتيب برابر با 37% و 42% نسبت به سيستم‌هاي متداول توليد انرژي حاصل شدند.

In this paper the modeling of combined heat and power (CHP) system driven by Stirling engine has been discussed. The system consists of one beta type Stirling engine as the prime mover, heat recovery system, power generator and the auxiliary boiler. The analysis of the Stirling engine is a non-ideal adiabatic analysis. To increase the accuracy of modeling, the frictional and thermal losses of Stirling engine are considered in comparison with other previous studies and the non-ideal adiabatic analysis is performed using a developed numerical code in MATLAB software. For model validation, the operational and geometrical specification of the GPU-3 Stirling engine was used and the results were compared with experimental results and other previous models. Then, one beta-type Stirling engine was proposed as prime mover in cogeneration system for building applications. The use of the cogeneration systems in building applications has become more common, which, from the perspective of the fuel consumption and pollution emission, has a significant advantage in comparison with the other conventional systems. For this purpose, the effects of engine frequency, regenerator length, and heat source temperature on fuel consumption and pollution emission of system were examined and proper engine design parameters were selected. Finally, the electric power and thermal power were achieved 11263 W and 21653 W, respectively, with reduction in fuel consumption and pollution emission of 37% and 42%, respectively.