تحليل ترموديناميكي و مقايسه دو آرايش جديد توليد سه‌گانه (توان، هيدروژن و گرمايش) با استفاده از انرژي زمين گرمايي

Thermodynamic analysis and comparison of two new tri-generation (hydrogen, power, heating) systems using geothermal energy

در اين مطالعه دو چرخه جديد توليد همزمان (توان، هيدروژن و گرمايش) مورد تحليل ترموديناميكي و بهينه‌سازي قرار گرفته است. براي چرخه‌هاي پيشنهادي، اين دو سيستم توسط قسمت توليد توان از هم متمايز شده‌اند، يا به ‌عبارت ‌ديگر چرخه‌ رانكين آلي و چرخه‌ كالينا براي توليد توان استفاده شده است. همچنين در اين دو سيستم از آب‌ گرم‌كن داخلي براي گرمايش و الكترولايزر غشاء پروتوني براي توليد هيدروژن استفاده شده است. پس از شبيه‌سازي ترموديناميكي، يك بررسي جامع به ازاي پارامترهاي تأثيرگذار روي توليد هيدروژن، توان خالص، گرمايش، بازده حرارتي و بازده اگزرژي دو آرايش توليد همزمان انجام شده است. همچنين در نهايت نسبت به بازده اگزرژي بهينه‌سازي شده است. طبق نتايج اين بررسي، بازده اگزرژي و توليد هيدروژن نسبت به دماي اواپراتور چرخه توليد همزمان بر اساس رانكين آلي داراي مقدار بهينه است درحالي‌كه براي چرخه توليد همزمان بر مبناي كالينا، صعودي مي‌باشند. همچنين طبق بررسي انجام شده براي سيال‌هاي عامل مختلف براي قسمت رانكين آلي، سيال عامل R152a مقدار هيدروژن بيشتري توليد مي‌كند. بر اساس نتايج بهينه براي دماي 120 درجه‌ي سلسيوس منبع گرم، چرخه‌ي توليد همزمان بر مبناي كالينا داراي بازده اگزرژي و توليد هيدروژن بيشتري نسبت به چرخه‌ي توليد همزمان بر مبناي چرخه‌ي رانكين آلي مي‌باشد.

In this study, two new multi-generation (hydrogen, power, heating) systems are thermodynamically analyzed and optimized. For the proposed cycles, the two systems are distinguished by the power generation cycle, so that the organic Rankine cycle and the Kalina cycle are used to produce power. Both systems also use domestic water heater for heating and proton exchange membrane electrolyzer for hydrogen production. After the thermodynamic simulation, a comprehensive study was performed for evaluating the parameters affecting hydrogen production, net output power, heating, thermal efficiency and exergy efficiency of two cogeneration systems and finally, an optimization was performed from an exergy efficiency point of view. According to the results of this study, for the organic Rankine cycle-based tri-generation system, when evaporator temperature increases exergy efficiency and hydrogen production show optimum values while for Kalina cycle-based tri-generation system, hydrogen production and exergy efficiency increase. Also, according to the study of various operating fluids for the organic Rankine cycle, the R152a as an organic Rankine cycle fluid produces more hydrogen. Furthermore, based on the optimized results for 120 °C heat source temperature, the Kalina cycle-based tri-generation system has more exergy efficiency and more hydrogen production than the organic Rankine cycle-based tri-generation system.