Thermal and exergetic analysis of the Goswami cycle integrated with mid-grade heat sources

This paper presents a theoretical investigation of a combined Power and Cooling Cycle that employs an Ammonia-Water mixture. The cycle combines a Rankine and an absorption refrigeration cycle. The Goswami cycle can be used in a wide range of applications including recovering waste heat as a bottoming cycle or generating power from non-conventional sources like solar radiation or geothermal energy. A thermodynamic study of power and cooling co-generation is presented for heat source temperatures between 100 to 350 °C. A comprehensive analysis of the effect of several operation and configuration parameters, including the number of turbine stages and different superheating configurations, on the power output and the thermal and exergy efficiencies was conducted. Results showed the Goswami cycle can operate at an effective exergy efficiency of 60-80% with thermal efficiencies between 25 to 31%. The investigation also showed that multiple stage turbines had a better performance than single stage turbines when heat source temperatures remain above 200 °C in terms of power, thermal and exergy efficiencies. However, the effect of turbine stages is almost the same when heat source temperatures were below 175 °C. For multiple turbine stages, the use of partial superheating with Single or Double Reheat stream showed a better performance in terms of efficiency. It also showed an increase in exergy destruction when heat source temperature was increased

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

Análisis exergético de un ciclo Brayton supercrítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo

Introduction: Nowadays, the thermodynamic modeling of the power cycles is conceived as an appropriate device which allows analyzing and determining the adaptability of several cycles as well the implementation and combination of a number of components whose characteristics and performing work appropriately on the generation of energy, beside of this, the relevant use of environmentally friendly technologies was taking into account as a relevant factor. Objective: This research work intends to determine the impact of the performance parameters from the supercritical Brayton cycle related to its energetic and exergetic performance as the variation of the temperature of the cycle as well alternative working conditions are executed by using the reheater and heater systems. Methodology: This research project used a thermodynamic model to carry out the energy and exergy analysis from four configurations of the supercritical Brayton cycle along carbon dioxide as a working fluid through several levels of temperature, also a maximum pressure of 25 MPa was ratified. Results: The obtained results have shown the developed and assessed model allowed to demonstrate the configurations through reheat; as for energy there exist a consistent lack of it with regards to the use of the mentioned systems as these have been not configured. In addition, the temperature related to the inlet of the turbine and the pressure ratios have a relevant influence on these lacks by obtaining its minimum value at temperatures between 800-850 ° C. Conclusions: It can be said that the total lack of exergy is minor as the configurations from the reheater system as it is applied, in other words, it is estimated that through the use of the mentioned system the percentage of reduction aims to three percent as the temperatures increase for the whole configurations.Introducción: Actualmente, el modelado termodinámico de los ciclos de potencia es una herramienta muy atractiva, con la cual se logra analizar y determinar cuan eficiente podría llegar a ser la combinación de distintos ciclos y/o la implementación de diversos componentes, que con sus diversas características y comportamientos impactan de forma positiva sobre la generación de energía. Además de ir ganando importancia en la utilización de tecnologías medio ambientalmente amigables. Objetivo: En este estudio se busca determinar el impacto de los parámetros de funcionamiento de un ciclo Brayton súper crítico respecto a  su comportamiento energético y exergético a medida que se realiza la variación de la temperatura del ciclo y demás condiciones de trabajo, tales como uso de calentador y recalentador. Metodología: Se realizó un modelo termodinámico para el análisis energético y exergético de 4 configuraciones de un ciclo Brayton súper crítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo, a variados niveles de temperatura y garantizando una presión máxima de 25 MPa. Resultados: Los resultados obtenidos del modelo desarrollado y validado, permitieron verificar que para las configuraciones con recalentamiento se presentan pérdidas totales de exergía consistentemente más bajas que para las configuraciones sin este.  Conjuntamente la temperatura de entrada a la turbina y las relaciones de presión tienen una influencia significativa sobre estas pérdidas, obteniéndose su valor mínimo a temperaturas de entre 800-850 °C. Conclusiones: Las pérdidas totales de exergía son menores en las configuraciones que implementan el uso de recalentador que las que no lo usan. Se aprecia que con el uso de recalentador las pérdidas de exergía disminuyen en al menos 3 puntos porcentuales a medida que aumenta la temperatura para todas las configuraciones

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

Análisis exergético de un ciclo Brayton supercrítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo

Introducción: Actualmente, el modelado termodinámico de los ciclos de potencia es una herramienta muy atractiva, con la cual se logra analizar y determinar cuan eficiente podría llegar a ser la combinación de distintos ciclos y/o la implementación de diversos componentes, que con sus diversas características y comportamientos impactan de forma positiva sobre la generación de energía. Además de ir ganando importancia en la utilización de tecnologías medio ambientalmente amigables. Objetivo: En este estudio se busca determinar el impacto de los parámetros de funcionamiento de un ciclo Brayton súper crítico respecto a su comportamiento energético y exergético a medida que se realiza la variación de la temperatura del ciclo y demás condiciones de trabajo, tales como uso de calentador y recalentador. Metodología: Se realizó un modelo termodinámico para el análisis energético y exergético de 4 configuraciones de un ciclo Brayton súper crítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo, a variados niveles de temperatura y garantizando una presión máxima de 25 MPa. Resultados: Los resultados obtenidos del modelo desarrollado y validado, permitieron verificar que para las configuraciones con recalentamiento se presentan pérdidas totales de exergía consistentemente más bajas que para las configuraciones sin este. Conjuntamente la temperatura de entrada a la turbina y las relaciones de presión tienen una influencia significativa sobre estas pérdidas, obteniéndose su valor mínimo a temperaturas de entre 800-850 °C. Conclusiones: Las pérdidas totales de exergía son menores en las configuraciones que implementan el uso de recalentador que las que no lo usan. Se aprecia que con el uso de recalentador las pérdidas de exergía disminuyen en al menos 3 puntos porcentuales a medida que aumenta la temperatura para todas las configuraciones.Introduction− Nowadays, the thermodynamic modeling of the power cycles is conceived as an appropriate device which allows analyzing and determining the adaptability of several cycles as well the implementation and combination of a number of compo-nents whose characteristics and performing work appropriately on the generation of energy, beside of this, the relevant use of environmentally friendly technologies was taking into account as a relevant factor.Objective−This research works intends to determine the impact of the performance parameters from the supercritical Brayton cycle related to its energetic and exergetic performance as the variation of the temperature of the cycle as well alter-native working conditions are executed by using the reheater and heater systems.Methodology−This research project used a thermodynamic model to carry out the energy and exergy analysis from four configurations of the supercritical Brayton cycle along carbon dioxide as a working fluid through several levels of temperatu-re, also a maximum pressure of twenty five MPa was ratified.Results− The obtained results have shown the developed and as-sessed model allowed to demonstrate the configurations through reheat; as for energy there exist a consistently lack of it with regards to the use of the mentioned systems as these have been not configured. In addition the temperature related to the inlet of the turbine and the pressure ratios have a relevant influence on these lacks by obtaining its minimum value at temperatures between 800-850 ° C.Conclusions−It can be said that the total lack of exergy is minor as the configurations from the reheater system as it is applied, in other words it is estimated that through the use of the mentioned system the percentage of reduction aims to three percent as the temperatures increase for the whole configurations

Análisis termoeconómico de la aplicación de un ciclo Rankine Orgánico para aprovechamiento de calor de desecho de baja temperatura

En esta investigación consiste en un análisis termo-económico de la aplicación de un ciclo Rankine orgánico para fuentes de baja temperatura, entre los 100 y 200ºC. Con esta investigación se pretende verificar la existencia de una región de operación donde se optimice el desempeño del ciclo desde el punto de vista de la primera y segunda ley, así como sus implicaciones desde el punto económico y exergo-económico. El punto de partida de la investigación es la selección de un grupo de fluidos orgánicos mediante la aplicación de un conjunto de criterios técnicos, medioambientales y de seguridad. A partir de estos fluidos se realizó una serie de simulaciones de la operación del ciclo bajo tres configuraciones de diseño y varias condiciones para temperaturas de fuente entre 100 y 200ºC. A partir de los resultados de las simulaciones se determinó el efecto de algunos parámetros de operación sobre el desempeño del ciclo desde el punto de vista de la primera ley de la termodinámica y desde el punto de vista exergético. Posteriormente se realizó un proceso de optimización donde se establecieron las condiciones óptimas de operación y a partir de estas se realizó un dimensionamiento básico de los componentes para el posterior análisis económico y exergo-económico. Finalmente se realizó un análisis posterior para determinar las implicaciones desde el punto de vista económico y exergo-económico mediante el cálculo de algunos parámetros de desempeño económico como el costo nivelado del kWh, y exergo-económico como el factor exergo-económico.MaestríaMagister en Ingeniería Mecánic

Análisis exergético de un ciclo Brayton supercrítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo

Introduction: Nowadays, the thermodynamic modeling of the power cycles is conceived as an appropriate device which allows analyzing and determining the adaptability of several cycles as well the implementation and combination of a number of components whose characteristics and performing work appropriately on the generation of energy, beside of this, the relevant use of environmentally friendly technologies was taking into account as a relevant factor. Objective: This research work intends to determine the impact of the performance parameters from the supercritical Brayton cycle related to its energetic and exergetic performance as the variation of the temperature of the cycle as well alternative working conditions are executed by using the reheater and heater systems. Methodology: This research project used a thermodynamic model to carry out the energy and exergy analysis from four configurations of the supercritical Brayton cycle along carbon dioxide as a working fluid through several levels of temperature, also a maximum pressure of 25 MPa was ratified. Results: The obtained results have shown the developed and assessed model allowed to demonstrate the configurations through reheat; as for energy there exist a consistent lack of it with regards to the use of the mentioned systems as these have been not configured. In addition, the temperature related to the inlet of the turbine and the pressure ratios have a relevant influence on these lacks by obtaining its minimum value at temperatures between 800-850 ° C. Conclusions: It can be said that the total lack of exergy is minor as the configurations from the reheater system as it is applied, in other words, it is estimated that through the use of the mentioned system the percentage of reduction aims to three percent as the temperatures increase for the whole configurations.Introducción: Actualmente, el modelado termodinámico de los ciclos de potencia es una herramienta muy atractiva, con la cual se logra analizar y determinar cuan eficiente podría llegar a ser la combinación de distintos ciclos y/o la implementación de diversos componentes, que con sus diversas características y comportamientos impactan de forma positiva sobre la generación de energía. Además de ir ganando importancia en la utilización de tecnologías medio ambientalmente amigables. Objetivo: En este estudio se busca determinar el impacto de los parámetros de funcionamiento de un ciclo Brayton súper crítico respecto a  su comportamiento energético y exergético a medida que se realiza la variación de la temperatura del ciclo y demás condiciones de trabajo, tales como uso de calentador y recalentador. Metodología: Se realizó un modelo termodinámico para el análisis energético y exergético de 4 configuraciones de un ciclo Brayton súper crítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo, a variados niveles de temperatura y garantizando una presión máxima de 25 MPa. Resultados: Los resultados obtenidos del modelo desarrollado y validado, permitieron verificar que para las configuraciones con recalentamiento se presentan pérdidas totales de exergía consistentemente más bajas que para las configuraciones sin este.  Conjuntamente la temperatura de entrada a la turbina y las relaciones de presión tienen una influencia significativa sobre estas pérdidas, obteniéndose su valor mínimo a temperaturas de entre 800-850 °C. Conclusiones: Las pérdidas totales de exergía son menores en las configuraciones que implementan el uso de recalentador que las que no lo usan. Se aprecia que con el uso de recalentador las pérdidas de exergía disminuyen en al menos 3 puntos porcentuales a medida que aumenta la temperatura para todas las configuraciones

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