Energy, exergy and economic evaluation comparison of small-scale single and dual pressure organic Rankine cycles integrated with low-grade heat sources

Low-grade heat sources such as solar thermal, geothermal, exhaust gases and industrial waste heat are suitable alternatives for power generation which can be exploited by means of small-scale Organic Rankine Cycle (ORC). This paper combines thermodynamic optimization and economic analysis to assess the performance of single and dual pressure ORC operating with different organic fluids and targeting small-scale applications. Maximum power output is lower than 45 KW while the temperature of the heat source varies in the range 100-200 °C. The studied working fluids, namely R1234yf, R1234ze(E) and R1234ze(Z), are selected based on environmental, safety and thermal performance criteria. Levelized Cost of Electricity (LCOE) and Specific Investment Cost (SIC) for two operation conditions are presented: maximum power output and maximum thermal efficiency. Results showed that R1234ze(Z) achieves the highest net power output (up to 44 kW) when net power output is optimized. Regenerative ORC achieves the highest performance when thermal efficiency is optimized (up to 18%). Simple ORC is the most cost-effective among the studied cycle configurations, requiring a selling price of energy of 0.3 USD/kWh to obtain a payback period of 8 years. According to SIC results, the working fluid R1234ze(Z) exhibits great potential for simple ORC when compared to conventional R245fa

Experimental And Theoretical Analysis Of The Goswami Cycle Operating At Low Temperature Heat Sources

The Goswami cycle is a cycle that combines an ammonia-water vapor absorption cycle and a Rankine cycle for cooling and mechanical power purposes by using thermal heat sources such as solar energy or geothermal steam. In this paper, a theoretical investigation was conducted to determine the performance outputs of the cycle, namely, net mechanical power, cooling, effective first law efficiency and exergy efficiency, for a boiler and an absorber temperature of 85 °C and 35 °C, respectively, and different boiler pressures and ammonia-water concentrations. In addition, an experimental investigation was carried out to verify the predicted trends of theoretical analysis and evaluate the performance of a modified scroll expander. The theoretical analysis showed that maximum effective first law and exergy efficiencies were 7.2% and 45%, respectively. The experimental tests showed that the scroll expander reached a 30-40% of efficiency when boiler temperature was 85 °C and rectifier temperature was 55 °C. Finally, it was obtained that superheated inlet conditions improved the efficiency of the modified expander

Uncoupling laminar conjugate heat transfer through chebyshev polynominal

The conjugate heat transfer process of cooling a horizontal plate at the leading edge, in steady state condition, was solved considering the fluid flowing in laminar condition and hydro dynamically developed before interacting with a heated plate. The fluid was considered deep enough to allow the growth of a thermal boundary layer with no restrictions. The conservation of mass, momentum and energy equations at the solid and fluid were converted into a non dimensional form. The heated body presents a constant heat flux at the bottom side, and convective heat transfer at the top side. The interface temperature was obtained using the Chebyshev polynomial approximation. In order to verify the results obtained using the Chebyshev polynomial approximation, the results obtained from the analytical solution for the solid, were compared with the results attained with commercial CFD software, FIDAP®. The solution considered the calculation of the local and average heat transfer coefficient, the local and average Nusselt number, the local and average Biot number, and different temperature distributions at the interface.El proceso de transferencia de calor conjugada para enfriamiento de una placa en estado estable ha sido resuelto considerando el fluido laminar e hidrodinámicamente desarrollado antes de entrar en contacto con la placa. El fluido es lo suficientemente profundo y permite el crecimiento de la capa límite térmica sin restricciones. Las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía, en el sólido y en fluido fueron adimensionalizadas. La temperatura en la interface se obtiene por medio del polinomio de Chebishev, y los resultados obtenidos fueron verificados con la solución obtenida por medio de software CFD comercial, FIDAP®.La solución ncluyo el cálculo del coeficiente de transferencia de calor, el número de Nusselt, el número de Biot, todos tanto local como promedio. La distribución de temperatura en la interface también fue obtenid

Empleo de microalgas como alternativa para la captura de dióxido de carbono en el Caribe Colombiano

Como otras disciplinas, la ingeniería mecánica busca reducir las consecuencias de la contaminación, particularmente la generada por la maquinaria y las tecnologías con que trabaja. Para ello, las microalgas constituyen una excelente alternativa pues en la naturaleza cumplen una doble función: absorben CO2 y generan sustancias que aprovechan otras especies. Esas sustancias  pueden utilizarse en diferentes productos: como biocombustibles, alimentos y especialidades farmacéuticas; como una de las mayores fuentes de contaminación es la quema de combustibles fósiles, remplazarlos con biocombustibles puede reducirla. Hay microalgas en casi todos los cuerpos de agua y  se han desarrollado formas de cultivo para maximizar sus beneficios. Entre los inconvenientes hallados está el costo de la alimentación de grandes volúmenes de CO2 para su producción; esto demanda mucha energía, con lo cual se perdería uno de los principales objetivos de su utilización: reducir la contaminación ocasionada por la quema de combustibles en la generación de energía. Esta investigación buscó verificar que los gases de combustión de una planta de generación eléctrica constituyen una alternativa viable para alimentar el dióxido de carbono, con un bajo costo, a las microalgas. Se centró en la variedad Chlorella sp. por su ubicuidad en la Región Caribe colombiana, su resistencia a las condiciones climáticas y sus numerosos usos industriales. Se aprovechó un cultivo en fotobiorreactor; por tratarse de otro desarrollo propio del grupo UREMA y por el grado de control que permite. Con base en la bibliografía y experiencias previas con el manejo de fluidos compresibles se diseñó un sistema de captura que permitió acondicionar gases de combustión y almacenarlos en un recipiente presurizado para su posterior dosificación a las microalgas; se encontró que el sistema no afectaba la operación de la planta de generación eléctrica y permitía el crecimiento de las microalgas