COMPARATIVE THERMODYNAMIC ANALYSIS OF ORGANIC RANKINE CYCLES WITH LOW GWP FLUID

Abstract

In this study, an energy analysis for an organic Rankine cycle (ORC) system that can generate electricity from low temperature heat energy sources (renewable energy and industrial waste heat) was performed. The most important factor in the performance of ORC systems is the working fluid. Theoretical analysis was made for the ORC system of R134a alternative more environmentally friendly R512A and R513A fluids. In the performance analysis of the system, a comparison performance analysis was performed for all three fluids for different temperatures at constant evaporator capacity. It was determined that R512A is the fluid that will provide the highest efficiency in the ORC system. The efficiency of the system was determined as 6.03% at R512A fluid, 65 oC evaporator and 32 oC condenser temperature. In addition, it was found to have 7.9% more efficiency than R513A fluid and 10.1% more efficiency than R134a fluid.

Keywords

• Organic Rankine Cycle
• New Generation Fluids
• Thermodynamic Analysis

DÜŞÜK GWP AKIŞKANLI ORGANİK RANKİNE ÇEVRİMLERİNİN KARŞILAŞTIRMALI TERMODİNAMİK ANALİZİ

Abstract

Bu çalışmada, düşük sıcaklıklardaki ısı enerjisi (yenilebilir enerji ve endüstriyel atık ısı) kaynaklarından elektrik üretebilecek organik Rankine çevrimi (ORC) sistemi için enerji analizi gerçekleştirilmiştir. ORC sistemlerinin performansını en önemli faktör iş akışkanıdır. R134a alternatif daha çevreci R512A ve R513A akışkanların ORC sistemi için teorik analiz yapılmıştır. Sistemin performans analizinde sabit buharlaştırıcının kapasitesinde farklı sıcaklıklar için her üç akışkan için karşılaştırma performans analizi gerçekleştirilmiştir. ORC sisteminde en yüksek verim sağlayacak akışkan R512A olduğu tespit edilmiştir. R512A akışkan, 65 oC buharlaştırıcı, 32 oC yoğuşturucu sıcaklığında sistemin verimi %6.03 tespit edilmiştir. Ayrıca, R513A akışkanından %7.9 diğer R134a akışkanından %10.1 daha fazla verime sahip olduğu bulunmuştur.

Keywords

• Organik Rankine Çevrimi
• Yeni Nesil Akışkanlar
• Termodinamik Analiz

References

1. E.A. Heath, Amendment to the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (Kigali Amendment), Int. Leg. Mater. 56 (2017) 193–205. doi:10.1017/ilm.2016.2.
2. C.M. Invernizzi, P. Iora, M. Preißinger, G. Manzolini, HFOs as substitute for R-134a as working fluids in ORC power plants: A thermodynamic assessment and thermal stability analysis, Appl. Therm. Eng. 103 (2016) 790–797. doi:10.1016/j.applthermaleng.2016.04.101.
3. M.A. Ancona, M. Bianchi, L. Branchini, A. De Pascale, F. Melino, A. Peretto, C. Poletto, N. Torricelli, Solar driven micro-ORC system assessment for residential application, Renew. Energy 195 (2022) 167–181. doi:10.1016/j.renene.2022.06.007.
4. J. Kajurek, A. Rusowicz, A. Grzebielec, W. Bujalski, K. Futyma, Z. Rudowicz, Selection of refrigerants for a modified organic Rankine cycle, Energy 168 (2019) 1–8. doi:10.1016/j.energy.2018.11.024.
5. B. Saleh, Parametric and working fluid analysis of a combined organic Rankine-vapor compression refrigeration system activated by low-grade thermal energy, J. Adv. Res. 7 (2016) 651–660. doi:10.1016/j.jare.2016.06.006.
6. B. Saleh, Energy and exergy analysis of an integrated organic Rankine cycle-vapor compression refrigeration system, Appl. Therm. Eng. 141 (2018) 697–710. doi:10.1016/j.applthermaleng.2018.06.018.
7. M. Karadaş, Düşük entalpili jeotermal kaynakları kullanarak organik rankine çevrimi elektrik santrali tasarımı, Aydın Adnan Menderes Üniversitesi, 2022.
8. İ. İçer, Düşük GWP’li akışkanlarla çalışan organik rankine çevriminin termodinamik ve çevresel analizi, Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, 2024.

9. Y. Cengel, M. Boles, M. Kanoğlu, Thermodynamics: an engineering approach, (2011). https://www.academia.edu/download/55284132/Solution_Manual_8th_Ed.pdf (erişim 26 Nisan 2024).
10. A. Mota-Babiloni, P. Makhnatch, R. Khodabandeh, J. Navarro-Esbrí, Experimental assessment of R134a and its lower GWP alternative R513A, Int. J. Refrig. 74 (2017) 680–686. doi:10.1016/j.ijrefrig.2016.11.021.
11. EcoGas, R512A Physical Properties, (y.y.). https://ecogas.ie/product/r512a-ashrae-listed-high-purity-alternative-refrigerant-refill/.