بهينه سازي عملكرد يك سيكل برايتون بازگشت ناپذير و ارائه تعاريفي جديد براي بازده قانون دوم و اگزرژي حرارتي

Performance Optimization of an Irreversible Brayton Cycle, and Proposing New Definitions for Second Law Efficiency and Exergy

در اين تحقيق، عملكرد يك سيكل بسته برايتون بازگشت ناپذير با بازياب در توان بيشينه، با استفاده از مفهوم ترموديناميك زمان محدود مورد ارزيابي قرار مي ­گيرد. به منظور وارد كردن محدوديت زمان و اندازه در مسئله پيش رو، از پارامتر دبي جرمي بدون بعد استفاده خواهد شد. پس از وارد شدن مفهوم ترموديناميك زمان محدود به مسئله، سيستم از لحاظ ترموديناميكي و اگزرژي مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت. با استفاده از اين ارزيابي، بهينه سازي توان به منظور بيشينه سازي آن براساس اين پارامتر بدون بعد انجام مي ­شود. رفتار خواص سيستم، مانند بيشينه توان توليدي، اگزرژي، اتلاف اگزرژي، بازده قوانين اول و دوم و كارايي مبدل­هاي حرارتي بر اساس پارامتر جريان جرمي بدون بعد بررسي مي گردند. همچنين، تأثير اتلاف اگزرژي غير قابل اجتناب بوده و با توجه به قيد زمان محدود، از طريق توسعه تعريف اگزرژي حرارتي مورد ارزيابي قرار مي­ گيرد از نتايج مهم اين پژوهش مي­ توان به افزايش اتلاف اگزرژي خارجي و به دنبال آن، كاهش بازده قوانين اول و دوم و كارايي مبدل­ها، با افزايش پارامتر دبي جرمي بدون بعد اشاره نمود. با اين وجود، با كاهش پارامتر دبي جرمي بدون بعد و ميل كردن آن به سمت صفر، شرايط به سمت حالت كارنو، و بيشينه توان توليدي به سمت صفر ميل مي كند. در نهايت با توجه به نتايج، تعاريف بهبود يافت هاي براي اگزرژي حرارتي و بازده قانون دوم بيان مي­ گردند، و اين تعاريف با تعاريف معمول اگزرژي و بازده قانون دوم مقايسه خواهند شد و همچنين اثر آن­ها بر عملكرد چرخه، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

In this study, the optimal performance of an irreversible regenerative Brayton cycle is sought through power maximization using the finite-time thermodynamic concept in finite-size components. Optimization is performed on the maximum power as the objective function using a genetic algorithm. In order to take into account the time and the size constraints in the current problem, the dimensionless mass-flow parameter is used. The behavior of the system parameters, such as maximum output power, exergy, exergy destruction, first and second law efficiencies, and effectiveness of the heat exchangers are investigated using the dimensionless mass-flow rate parameter. The influence of the unavoidable exergy destruction due to finite-time constraint is taken into account by developing the definition of thermal exergy. According to the results, the external exergy destruction increases and consequently the second law efficiency and heat exchangers effectiveness decrease with an increment of the dimensionless mass-flow rate parameter. However, as the dimensionless mass-flow rate parameter tends to zero, the efficiency and the power of the system approaches Carnot efficiency and zero value, respectively. Finally, the improved definitions are proposed for the heat exergy and the second law efficiency which will be compared with the conventional definitions and then their cumulative effects on cycle’s performance will be discussed.