Research Article

Dynamic Model Linearization and Model Predictive Control of an Organic Rankine Cycle

Volume: 16 Number: 4 December 30, 2025
TR EN

Organik Rankine Çevriminin Dinamik Model Lineerleştirilmesi ve Model Öngörülü Kontrolü

Öz

Bu araştırma, dört ana bileşenden oluşan bir Organik Rankine Çevrimi (ORC) sisteminin kontrolünü incelemektedir: kondenser, türbin, pompa ve buharlaştırıcı. Isı eşanjörleri çift borulu konfigürasyonlar olarak tasarlanmış ve dinamik davranışları hareketli sınır yaklaşımı kullanılarak modellenmiştir. Pompa ve türbin, ısı eşanjörlerine kıyasla çok daha hızlı dinamikleri nedeniyle statik denklemlerle temsil edilmiştir. Çevrimin matematiksel modeli, durum, giriş ve rahatsızlık değişkenlerine göre doğrusal olmayan fonksiyonun Jacobian'ı hesaplanarak lineerleştirilmiştir. Model doğrulama, rastgele giriş dizileri oluşturularak ve bunlar hem geliştirilen ORC modeline hem de aynı özelliklere sahip bir Aspen modeline uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Doğrulama sonuçları, iki model arasında yalnızca küçük farklılıklar ile güçlü bir uyum göstermektedir. Ardından, lineerleştirilmiş ORC modelini düzenlemek için birkaç eşitsizlik kısıtlaması içeren bir lineer model öngörülü kontrol çerçevesi kurulmuştur. Dört kontrol stratejisi tanıtılmış olup, her biri termodinamik verimliliği artırma veya entropi üretimini azaltma gibi farklı hedeflere odaklanırken, tümü türbin iş çıktısı yörüngesini takip etme ortak hedefini paylaşmaktadır. Simülasyon sonuçları, dört kontrolörün de belirlenen türbin iş çıktısı yörüngesini etkin bir şekilde takip ettiğini göstermektedir. Birinci yasa ve ikinci yasa kontrolörleri, sırasıyla 0.10250 birinci yasa verimliliği ve 0.31732 ikinci yasa verimliliği ile en yüksek ortalama verimliliklere ulaşmıştır. Türbin iş kontrolörü, 2100.17 W olarak kaydedilen en yüksek toplam ekserji yıkım oranını sergilemiştir.

Anahtar Kelimeler

References

  1. [1] M. Imran, R. Pili, M. Usman, and F. Haglind, “Dynamic modeling and control strategies of organic Rankine cycle systems: Methods and challenges,” Appl. Energy, vol. 257, p. 115537, Jan. 2020, DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115537.
  2. [2] J. G. Andersen, U. Larsen, T. Knudsen, L. Pierobon, and F. Haglind, “Selection and optimization of pure and mixed working fluids for low grade heat utilization using organic Rankine cycles,” Energy, vol. 73, pp. 204–213, Aug. 2014, DOI: 10.1006/j.energy.2014.06.012.
  3. [3] T. C. Hung, T. Y. Shai, and S. K. Wang, “A review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat,” Appl. Energy, vol. 6, pp. 661–667, Jul. 1997, DOI: 10.1016/S0360-5442(96)00165-X.
  4. [4] B. F. Tchanche, G. Lambrinos, A. Frangoudakis, and G. Papadakis, “Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles—a review of various applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, no. 8, pp. 3963–3979, Oct. 2011, DOI: 10.1016/j.rser.2011.07.024.
  5. [5] E. Macchi and M. Astolfi, Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems: Technologies and Applications. Cambridge, U.K.: Woodhead Publishing, 2017, DOI: 10.1016/C2014-0-04239-6.
  6. [6] X. Chen, C. Liu, Q. Li, X. Wang, and X. Xu, “Dynamic analysis and control strategies of organic Rankine cycle system for waste heat recovery using zeotropic mixture as working fluid,” Energy Convers. Manag., vol. 192, pp. 321–334, Jul. 2019, DOI: 10.1016/j.enconman.2019.04.049.
  7. [7] M. Imran, F. Haglind, M. Asim, and J. Zeb Alvi, “Recent research trends in organic Rankine cycle technology: A bibliometric approach,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 81, pp. 552–562, Jan. 2018, DOI: 10.1016/j.rser.2017.08.028.
  8. [8] C. Wieland, C. Schifflechner, K. Braimakis, F. Kaufmann, F. Dawo, S. Kerellas, G. Besagni, and C. N. Markides, “Innovations for organic Rankine cycle power systems: Current trends and future perspectives,” Appl. Therm. Eng., vol. 225, p. 120201, May 2023, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120201.

Details

Primary Language

English

Subjects

Energy Generation, Conversion and Storage (Excl. Chemical and Electrical)

Journal Section

Research Article

Publication Date

December 30, 2025

Submission Date

May 4, 2025

Acceptance Date

October 29, 2025

Published in Issue

Year 1970 Volume: 16 Number: 4

IEEE
[1]M. S. Turgut and O. E. Turgut, “Dynamic Model Linearization and Model Predictive Control of an Organic Rankine Cycle”, DUJE, vol. 16, no. 4, pp. 865–878, Dec. 2025, doi: 10.24012/dumf.1691147.