Optimizing integrated heat recovery networks with various power cycles

Abstract

Son yıllarda teknolojideki yaşanan gelişmeler sanayinin elektriğe olan talebini artırmaktadır. Ayrıca fosil yakıtların ömrünün sonuna gelmesi ve çevreye olan negatif etkileri göz önüne alındığında enerji geri kazanımı ve enerji verimliliği çalışmaları hız kazanmaktadır. Endüstrilerdeki atık ısı, geri kazanılarak faydalı enerji elde edilmesi mümkündür ve atık ısıyı geri kazanmak için birçok yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan biri de güç çevrimleridir. Bu tez çalışmasında, ısı değiştirici ağı ile güç çevrimi entegre edilerek minimum toplam yıllık maliyetle tasarlanması amaçlanmaktadır. Organik Rankine Çevrimi, Rankine Çevrimi, Süperkritik Karbon Dioksit Çevrimi, Üçlü Flaş Çevrimi ve Kalina Çevrimi gibi beş farklı güç çevrimi karşılaştırılmaktadır. Önerilen yöntemde sıralı optimizasyon yapılarak, önce ısı değiştirici ağı SYNHEAT model ile minimum toplam yıllık maliyet ve maksimum enerji geri kazanımı sağlanarak optimize edilip tasarlanmaktadır. Sonrasında optimize edilen ısı değiştirici ağından gelen kısıtlar ile güç çevrimi UNISIM DESIGN'da modellenip Python'da optimize edilmektedir. Python'da yapılan optimizasyon sonucunda, ısı değiştirici ağına entegre edilen güç çevrimlerinin toplam yıllık maliyetleri analiz edilmektedir. Önerilen yöntem, literatürde kullanılan yöntemlere alternatif bir bakış açısı sunmaktadır. Termodinamik veri seti güçlü olan bir programın optimizasyona dahil edilmesi, yöntemi güçlendirmektedir. Önerilen yöntem, literatürde çalışılmış örnekle karşılaştırılmış ve güçlü ve zayıf yönleri değerlendirilmiştir. Ayrıca, çalışılan örneklerden elde edilen bulgular, karşılaştırılan güç çevrimleri arasında, Rankine Çevrimi'nde daha fazla güç elde edilmesine rağmen, Organik Rankine Çevrimi'nin çalışma akışkanının termofiziksel özelliklerinden dolayı daha ekonomik bir seçenek olduğunu göstermektedir.Recent technological advancements have increased the demand for electricity in industries. Additionally, considering the depletion of fossil fuels and their negative impacts on the environment, energy recovery and energy efficiency studies have been gaining momentum. It is possible to obtain useful energy by recovering waste heat in industries, and various methods are employed for waste heat recovery. One of these methods is power cycles. In this thesis study, the aim is to design an integrated heat exchanger network and power cycle with the minimum total annual cost. Five different power cycles, including the Organic Rankine Cycle, Rankine Cycle, Supercritical Carbon Dioxide Cycle, Trilateral Flash Cycle, and Kalina Cycle, are compared. In the proposed method, sequential optimization is performed: first, the heat exchanger network is optimized and designed using the SYNHEAT model to achieve minimum total annual cost and maximum energy recovery. Subsequently, the constraints from the optimized heat exchanger network are used to model the power cycle in UNISIM DESIGN, which is then optimized in Python. Based on the optimization performed in Python, the total annual costs of the power cycles integrated into the heat exchanger network are analyzed. The proposed method offers an alternative perspective to the methods used in the literature. Incorporating a program with a robust thermodynamic data set into the optimization process strengthens the method. The proposed method has been compared with an example studied in the literature, and its strengths and weaknesses have been evaluated. Additionally, the findings obtained from the analyzed examples indicate that, although more power is generated in Rankine Cycle among the compared power cycles, Organic Rankine Cycle is a more economical option due to the thermophysical properties of its working fluid.