| Titre | Performance investigation of solar organic Rankine cycle system with zeotropic working fluid mixtures for use in micro-cogeneration |
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| Auteur | Yaici, W ;
Entchev, E; Talebizadehsardari, P; Longo, M |
| Source | Journal of Energy Resources Technology vol. 143, issue 9, 090906, 2021 p. 1-13, https://doi.org/10.1115/1.4049582 |
| Image |  |
| Année | 2021 |
| Séries alt. | Ressources naturelles Canada, Contribution externe 20210205 |
| Éditeur | American Society of Mechanical Engineers (ASME) |
| Document | publication en série |
| Lang. | anglais |
| DOI | https://doi.org/10.1115/1.4049582 |
| Media | papier; en ligne; numérique |
| Formats | pdf |
| Sujets | Énergie renouvelable; Sciences et technologie |
| Illustrations | diagrammes; tableaux; diagrammes |
| Programme | CanmetÉNERGIE - Ottawa Bâtiments et groupe des renouvelables - Les systèmes d'énergie hybride |
| Diffusé | 2021 02 03 |
| Résumé | (disponible en anglais seulement)
Overall, there are numerous sustainable sources of renewable, low-temperature heat, principally solar energy, geothermal energy, and energy produced from
industrial wastes. Extended utilization of these low-temperature alternatives has a certain capacity of decreasing fossil fuel use with its associated very hazardous greenhouse gas emissions. Researchers have commonly recognized the organic Rankine
cycle (ORC) as a feasible and suitable system to produce electrical power from renewable sources based on its advantageous use of volatile organic fluids as working fluids (WFs). Researchers have similarly shown an affinity to the exploitation of
zeotropic mixtures as ORC WFs due to their capability to enhance the thermodynamic performance of ORC systems, an achievement supported by improved fits of the temperature profiles of the WF and the heat source/sink. This paper determines both the
technical feasibility and the benefits of using zeotropic mixtures as WFs by means of a simulation study of an ORC system. This study analyzes the thermodynamic performance of ORC systems using zeotropic WF mixtures to produce electricity driven by
low-temperature solar heat sources for use in buildings. A thermodynamic model is created with an ORC system with and without a regenerator. Five zeotropic mixtures with diverse compositions between 0 and 1 in 0.2 increments of R245fa/propane,
R245fa/hexane, R245fa/heptane, pentane/hexane, and isopentane/hexane are assessed and compared with identify the best blends of mixtures that are able to produce superior efficiency in their system cycles. Results disclosed that R245fa/propane
(0.4/0.6) with regenerator produces the highest net power output of 7.9 kW and cycle efficiency of 9.4% at the operating condition with a hot source temperature of 85 °C. The study also investigates the effects of the volume flow ratio, and
evaporation and condensation temperature glide on the ORC's thermodynamic performance. Following a thorough analysis of each mixture, R245fa/propane is chosen for a parametric study to examine the effects of operating factors on the system's
efficiency and sustainability index. It was found that the highest cycle efficiency and highest second law cycle efficiency of around 10.5% and 84.0%, respectively, were attained with a mass composition of 0.6/0.4 at the hot source temperature of 95
°C and cold source temperature of 20 °C with a net power output of 9.6 kW. Moreover, results revealed that for zeotropic mixtures, there is an optimal composition range within which binary mixtures are tending to work more efficiently than the
component pure fluids. In addition, a significant increase in cycle efficiency can be achieved with a regenerative ORC, with cycle efficiency in the range 3.1-9.8% versus 8.6-17.4% for ORC both without and with regeneration, respectively. In
conclusion, utilizing zeotropic mixtures may well expand the restriction faced in choosing WFs for solar-powered ORC-based micro-combined heat and power (CHP) systems. |
| Sommaire | (Résumé en langage clair et simple, non publié)
Dans l'ensemble, il existe de nombreuses sources durables de chaleur renouvelable à basse température, telles que l'énergie solaire, l'énergie
géothermique et l'énergie produite à partir de la chaleur perdue de procédés industriels. L'utilisation de ces énergies alternatives à basse température a la capacité certaine de diminuer l'utilisation de combustibles fossiles ainsi que les émissions
de gaz à effet de serre très dangereuses qui y sont associées. Les chercheurs ont généralement reconnu le cycle organique de Rankine (ORC) comme un système faisable et approprié pour produire de l'électricité à partir de sources d'énergies
renouvelables, lequel utilise des fluides organiques volatils comme fluides de travail. Cette étude analyse les performances thermodynamiques des systèmes ORC utilisant des mélanges zéotropiques pour produire de l'électricité, lesquels sont
alimentés par une source de chaleur solaire à basse température, pour une utilisation dans les bâtiments. Un modèle thermodynamique est créé avec un système ORC avec et sans régénérateur. Cinq mélanges zéotropiques avec diverses compositions entre 0
et 1 par incréments de 0,2 de R245fa/propane, R245fa/hexane, R245fa/heptane, pentane/hexane et isopentane/hexane sont évalués et comparés pour identifier les meilleurs mélanges. Les résultats ont révélé que le mélange R245fa/propane (0,4/0,6) avec
régénérateur produit une puissance de sortie nette la plus élevée de 7,9 kW et une efficacité de cycle de 9,4 % dans des conditions de fonctionnement avec une température de source de chaleur de 85 °C. L'étude examine également les effets du rapport
de débit volumique et des glissements de température d'évaporation et de condensation sur les performances thermodynamiques de l'ORC. Après une analyse approfondie de chaque mélange, le mélange R245fa/propane est choisi pour une étude paramétrique
afin d'examiner les effets des facteurs de fonctionnement sur l'indice d'efficacité et de durabilité du système. Il a été constaté que les efficacités les plus élevées de cycle ainsi que celui de la seconde loi de la thermodynamique, sont d'environ
10,5% et 84,0%, respectivement, atteintes avec une composition massique de 0,6/0,4 et une puissance nette de 9,6 kW. De plus, une augmentation significative de l'efficacité du cycle peut être obtenue avec un ORC régénératif, avec une efficacité de
cycle comprise entre 3,1 et 9,8 % contre 8,6 à 17,4 % pour l'ORC à la fois sans et avec régénération, respectivement. |
| GEOSCAN ID | 328695 |
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