20572

۲۰۵۷۲

طراحي، تحليل ترموديناميكي، اقتصادي، زيست محيطي و بهينه سازي سيكل هيبريدي پيل سوختي اكسيد جامد، توربوشفت و موتور استرلينگ

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

۱۳۹۵

ارديبهشت ۱۳۹۸

دكتر سپهر صنايع

مكانيك

در اين پايان نامه، يك چرخه تركيبي توليد توان از تركيب پيل سوختي اكسيد جامد، توربوشفت و موتور استرلينگ طراحي؛ تحليل و بهينه سازي شده است. در طراحي اين سيكل، از گرماي گازهاي خروجي پيل سوختي براي افزايش دماي هواي ورودي به محفظه احتراق استفاده شده است كه اين امر باعث افزايش راندمان مجموعه مي شود. همچنين، جهت جلوگيري از اتلاف گرماي خروجي از توربوشفت، در خروجي آن يك موتور استرلينگ نوع آلفا تعبيه شده است. به اين ترتيب؛ گرماي گازهاي خروجي توربوشفت براي تامين گرماي سيلندر گرم موتور استرلينگ استفاده شده است. در سيلندر سرد موتور استرلينگ نيز، براي پايين نگه داشتن دماي سرد موتور از يك جريان آب استفاده شده كه به اين ترتيب از چرخه مي توان آب گرم مصرفي نيز دريافت كرد. سه مدل انرژي، اقتصادي و زيست محيطي سيكل تركيبي پيشنهاد شده، شبيه سازي و اعتبار سنجي شده است. در ابتدا، به منظور بررسي و تحليل تاثير پارامترهاي طراحي بر عملكرد سيكل تركيبي، يك مطالعه پارامتري با انتخاب 7 پارامتر طراحي شامل نسبت هوا به سوخت در ورودي پيل سوختي، چگالي جريان الكتريكي پيل سوختي، ضريب مصرف سوخت پيل سوختي، نسبت سوخت به هواي توربوشفت، دور نسبي كمپرسور توربوشفت و نسبت دماي سرد به گرم موتور استرلينگ انجام شده است. تاثير اين پارامتر هاي طراحي، بر راندمان و توان الكتريكي، هزينه كل سالانه و همچنين ميزان كاهش آلاينده هاي جوي مانند CO2 و NOx بررسي شده است. سپس، عملكرد بهينه سيكل، در يك بهينه سازي دو هدفه با توابع هدف : حداكثر مقدار راندمان الكتريكي سيكل تركيبي پيشنهاد شده؛ و حداقل مقدار هزينه كل سالانه، تعيين شده است. منحني پرتوي حاصل از اين بهينه سازي رسم و نقطه بهينه نهايي با استفاده از روش TOPSIS انتخاب شده است. در اين نقطه، راندمان الكتريكي سيكل برابر با % 68 و هزينه كلي سالانه ي آن برابر با [〖10〗^6 $/year] 55.7 به دست آمده است. همچنين، با توجه به نتايج؛ سيكل پيشنهاد شده مي تواند نرخ انتشار گازهاي CO2 و NOx را نسبت به توربين گاز كنترل نشده؛ به ترتيب تا % 49.6 و %56.25 كاهش دهد. واژه‌هاي كليدي: سيكل تركيبي توليد توان، پيل سوختي اكسيد جامد، توربوشفت، موتور استرلينگ، بهينه سازي دو هدفه.

1398/03/10

Design, Thermo-Economic-Environ Analyses and Optimization of a novel combined cycle based on Solid Oxide Fuel Cell, Turboshaft and Stirling Engine

5/20/2020 12:00:00 AM

Abstract: In this thesis, a novel combined cycle based on Solid Oxide Fuel Cell, Turbo-Shaft, and Stirling Engine is designed, analyzed, and optimized. In the designing of this combined cycle, the exhaust gases of the SOFC which its temperature is about 1000℃-1200℃ is used to preheat the inlet air in combustion chamber of Turbo-Shaft and the exhaust gas of the turbo-Shaft is used to provide the high temperature of the Stirling engine. Also, to cool the cold cylinder of the Stirling engine, a flow of water is used, so hot water can be achieved from the cycle. This proposed combined cycle is analyzed from three points of view including Energy, Economic, and Environment analyses. At first, the Thermo-Economic-Environ model of the proposed combined cycle is simulated and validated, then a parametric study by selecting 7 design parameters is performed. In this study, the quantitative and qualitative changes of the affected parameters, such as electrical efficiency and electrical power, total annual cost, and pollution reduction due to changes in design parameters, is investigated. Design parameters including Air to Fuel ratio at fuel cell input, fuel cell electrical current density, the fuel consumption coefficient of the fuel cell, Fuel to Air ratio in the turboshaft, Compressor Relative Speed in the turboshaft, Compressor pressure ratio in the turboshaft, and the temperature ratio of the Stirling engine. To find an optimal performance of the proposed combined cycle, a two-objective optimization is carried out. The electrical efficiency of the combined cycle and its total annual cost are selected as the objective functions. As a Result of this optimization, the pareto optimal set is obtained and the final optimal point is selected by TOPSIS method. At the optimal point, the electrical efficiency of the cycle and its total annual cost are 68% and 55.7 [〖10〗^6 $/year], respectively. Also, the proposed combined cycle can reduce NOx and CO2 by up to 56.25% and 49.6% respect with uncontrolled gas turbine, respectively. Keywords: Power generation combined cycle, SOFC, Turboshaft, Stirling Engine, Two-Objective Optimization.