Utilization of Waste Heat in Closed Brayton Cycle: A Thermodynamic Analysis with Various Working Fluids

Yıl 2025, Cilt: 8 Sayı: 2, 23 - 24

Gamze Soytürk

https://doi.org/10.34248/bsengineering.1592949

Öz

This research investigates the thermodynamic performance of a power generation system employing five working fluids: helium, carbondioxide, nitrogen, argon, and neon. Key parameters like net power generation, exergy destruction, energy and exergy efficiencies, and mass flow rates were evaluated under varying operational conditions. The analysis revealed that carbondioxide consistently outperformed other fluids, achieving the highest net power generation of 450 kW at lower compressor inlet temperatures, and maintaining the lowest exergy destruction of approximately 500 kW. Additionally, carbondioxide exhibited superior energy and exergy efficiencies, with values reaching 31% and 45%, respectively. Nitrogen and argon demonstrated moderate performance, with nitrogen achieving a stable net power generation of around 250 kW and an exergy destruction of approximately 700 kW. Both fluids-maintained energy efficiencies near 17% and exergy efficiencies of approximately 25%, making them suitable for balanced thermodynamic systems. In contrast, neon and helium showed limited performance, with neon recording the lowest net power generation of 170 kW and a relatively high exergy destruction of 770 kW. Helium similarly exhibited reduced efficiencies, with energy efficiency dropping to 13% and exergy efficiency to 19% under varying conditions. Mass flow rate analysis indicated argon required the highest flow, at approximately 9.5 kg/s, while helium maintained the lowest at 1 kg/s, reflecting their respective densities and energy transport capacities. These findings underline the critical role of working fluid selection, with carbondioxide emerging as the optimal choice for systems prioritizing high efficiency and minimal energy losses. The study provides a comprehensive framework for enhancing thermodynamic performance in power generation applications.

Anahtar Kelimeler

Waste heat recovery, Power generation systems, Working fluids, Thermodynamic analysis

Utilization of Waste Heat in Closed Brayton Cycle: A Thermodynamic Analysis with Various Working Fluids

Öz

Bu çalışma, helyum, karbondioksit, nitrojen, argon ve neon olmak üzere beş çalışma akışkanını kullanan bir güç üretim sisteminin termodinamik performansını araştırmaktadır. Net güç üretimi, ekserji yıkımı, enerji ve ekserji verimlilikleri ve kütle akış hızları gibi temel parametreler, değişen çalışma koşulları altında değerlendirilmiştir. Analiz, karbondioksitin diğer akışkanlardan sürekli olarak daha iyi performans gösterdiğini, daha düşük kompresör giriş sıcaklıklarında 450 kW'lık en yüksek net güç üretimine ulaştığını ve yaklaşık 500 kW'lık en düşük ekserji yıkımını koruduğunu ortaya koymuştur. Ek olarak, karbondioksit sırasıyla %31 ve %45'e ulaşan değerlerle üstün enerji ve ekserji verimlilikleri sergilemiştir. Nitrojen ve argon orta düzeyde performans göstermiş, nitrojen yaklaşık 250 kW'lık kararlı bir net güç üretimi ve yaklaşık 700 kW'lık bir ekserji yıkımı elde etmiştir. Her iki akışkan da yaklaşık %17'lik enerji verimliliği ve yaklaşık %25'lik ekserji verimliliği sağlayarak dengeli termodinamik sistemler için uygun hale gelmiştir. Buna karşılık, neon ve helyum sınırlı performans gösterdi; neon en düşük net güç üretimini 170 kW ve nispeten yüksek bir ekserji yıkımını 770 kW olarak kaydetti. Helyum da benzer şekilde düşük verimlilikler sergiledi; enerji verimliliği %13'e ve değişen koşullar altında ekserji verimliliği %19'a düştü. Kütle akış hızı analizi, argonun yaklaşık 9.5 kg/s ile en yüksek akışı gerektirdiğini, helyumun ise ilgili yoğunluklarını ve enerji taşıma kapasitelerini yansıtan 1 kg/s ile en düşük akışı koruduğunu gösterdi. Bu bulgular, çalışma sıvısı seçiminin kritik rolünü vurguluyor ve karbondioksit, yüksek verimlilik ve minimum enerji kayıplarına öncelik veren sistemler için en uygun seçim olarak ortaya çıkıyor. Çalışma, güç üretim uygulamalarında termodinamik performansı artırmak için kapsamlı bir çerçeve sunuyor.

Anahtar Kelimeler

Atık ısı geri kazanımı, Güç üretim sistemleri, Çalışma sıvıları, Termodinamik analiz

Kaynakça

• Alzuwayer B, Alhashem A, Albannag M, Alawadhi K. 2024. Advancements in supercritical carbon dioxide Brayton cycle for marine propulsion and waste heat recovery. Processes, 12(9): 1956.
• Andreasen J.G, Larsen U, Knudsen T, Pierobon L, Haglind F. 2014. Selection and optimization of pure and mixed working fluids for low grade heat utilization using organic Rankine cycles. Energy, 73, 204-213.