A numerical study of waste heat recovery potential of the exhaust gases from a power generation diesel engine

Abstract

Recently, producing and using energy in an efficient way is one of the challenges through the world. Additionally, the severe environmental issues regarding global warming and ozone depletion have risen. Having taken into consideration two aspects, waste heat recovery systems can be an effective solution to solve some of these problems. This study presents the waste heat recovery potential applied to stationary internal combustion engines. Through the work, three different diesel engines’ exhaust gases are applied as the heat sources. Three Organic Rankine Cycle (ORC) configurations are designed, a Simple Organic Rankine Cycle and Regenerative Organic Rankine cycle which are thermally powered by exhaust gases and Pre-heating and Regenerative Organic Rankine Cycle with the usage of exhaust gas and the engine cooling water as the heat sources. In order to assess the differences between the chemical classes regarding the ozone depletion and global warming potential, eight candidate working fluids are chosen. A selecting procedure is created to obtain the most appropriate working fluid for the suitable cycle configuration. The first law of thermodynamic analysis is conducted with the variations of the working fluids, heat sources and the cycle designs in order to accomplish the greatest thermal efficiency with the most suitable working fluid and the configuration. It was found that it is possible to achieve a high thermal efficiency outcome using zero ozone depletion and global warming potential fluids under the Regenerative Organic Rankine configuration.

Son zamanlarda, enerjiyi verimli bir şekilde üretmek ve kullanmak dünya çapındaki sorunlardan biridir. Buna ek olarak, küresel ısınma ve ozon tabakası incelmesi çevresel sorunlar olarak ciddi bir oranda artmaktadır. Bütün bu iki görüşler dikkate alındığında, atık ısı geri kazanım sistemleri etkili bir çözüm olabilir. Bu çalışma, Organik Rankine Çevrimi ile sabit İçten Yanmalı Motorlarda atık ısı geri kazanımı potansiyelini sunmaktadır. Çalışma sırasında, üç farklı dizel motorun egzoz gazları ısı kaynağı olarak kullanılmıştır. Üç farklı ORÇ kurulumu tasarlanmış, Basit Organik Rankine Çevrimi, termal ısı kaynağı olarak egzoz gazı kullanılmaktadır, Rejeneratif Organik Rankine Çevrimi, termal ısı kaynağı olarak egzoz gazı kullanılmaktadır, Ön Isıtmalı ve Rejeneratif Organik Rankine Çevrimi, termal ısı kaynağı olarak egzoz gazı ve motor soğutma suyu kullanılmaktadır. Ozon tabakası delinmesi ve küresel ısınma potansiyeline ilişkin, kimyasal sınıflar arasındaki farkları değerlendirmek için sekiz aday çalışma sıvısı seçilir. Uygun çevrim yapılanması için en uygun çalışma akışkanını elde etmek için bir seçim prosedürü oluşturulmuştur. Termodinamiğin birinci kanununa göre, en yüksek ısıl verimi elde etmek için, çalışma akışkanlarının ve çevrimlerin çeşitlerinin analizleri yapılmıştır. Gösterilen sonuçlar doğrultusunda, %18,lik termal verim Rejeneratif Organik Rankine Çevrimi ve R-1233zd(E) çalışma sıvısı ile elde edilmiştir.