عنوان

پیشنهاد سیستمهای تولید چندگانه جدید بر اساس پیل‌سوختی همراه با شعله به منظور استفاده در منازل مسکونی

پ۲۹۶۳۱

per

پیشنهاد سیستمهای تولید چندگانه جدید بر اساس پیل‌سوختی همراه با شعله به منظور استفاده در منازل مسکونی

محمدباقر امیری

مهندسی مکانیک

۱۴۰۲

۱۴۹ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

۱۴۰۲/۰۶/۱۸

پیل سوختی واحدی است که بوسیله واکنش شیمیایی برق تولید می‌کند. از میان انواع پیل‌های سوختی، پیل سوختی اکسید جامد بیشترین مزایا را دارد. پیل سوختی همراه با شعله که حاصل ترکیب پیل سوختی اکسید جامد و احتراق سوخت غنی است، به علت دمای بالای گازهای خروجی گزینه مناسبی برای بازیابی حرارت خروجی از پیل توسط چرخه‌های توان و همچنین تولید چندگانه می‌باشد. سوخت استفاده شده در احتراق غنی در این رساله متان و گلیسرول می‌باشد. در این رساله دو سیکل توان، سیکل برایتون فوق بحرانی کربن‌دی‌اکسید تراکم مجدد و سیکل رانکین آلی دو اواپراتور فشار دوگانه جهت بازیابی حرارت با پیل سوختی همراه با شعله ادغام شده است و مدلسازی این سیکل‌های ترکیبی در نرم افزار EES انجام گرفته است. تحلیل انرژی و اگزرژی سیکل ترکیبی پیل سوختی همراه با شعله-چرخه برایتون فوق‌بحرانی کربن‌دی‌اکسید تراکم مجدد نشان می‌دهد که با ترکیب پیل سوختی همراه با شعله با سیکل برایتون فوق بحرانی کربن‌دی‌اکسید تراکم مجدد در 8/2Φ= بازده انرژی و اگزرژی به ترتیب از 62/18 به 91/22 و 05/18 به 21/22 درصد افزایش یافته است. چرخه رانکین آلی دو اواپراتور فشار دوگانه نیز برای بازیابی حرارت با پیل سوختی همراه با شعله‌ای ترکیب شده که هوای ورودی به کاتد پیل سوختی توسط گازهای خروجی از احتراق فقیر پیش‌گرم می‌شود. پیش گرم هوای ورودی به کاتد باعث افزایش بازده پیل سوختی همراه با شعله می‌شود. در 8/2Φ= بازده انرژی و اگزرژی با ترکیب چرخه رانکین آلی دو اواپراتور فشار دوگانه به ترتیب از 54/20 به 95/20 و از 91/19 به 31/20 درصد رسیده است. مقایسه دو سیکل ترکیبی پیل سوختی همراه با شعله-چرخه برایتون فوق‌بحرانی کربن‌دی‌اکسید تراکم مجدد و پیل سوختی همراه با شعله- چرخه رانکین آلی دو اواپراتور فشار دوگانه نشان داد که سیکل ترکیبی پیل سوختی همراه با شعله-چرخه برایتون فوق‌بحرانی کربن‌دی‌اکسید تراکم مجدد توان تولیدی بیشتری دارد و اگزرژی گازهای خروجی از این سیکل ترکیبی بیشتر از سیکل ترکیبی پیل سوختی همراه با شعله- چرخه رانکین آلی دو اواپراتور فشار دوگانه است که می‌تواند مورد بازیابی دوباره قرار گیرد.

AbstractA fuel cell is a unit that produces electricity through a chemical reaction. Among the types of fuel cells, the solid oxide fuel cell has the most advantages. Flame-assisted Fuel Cell, which is the result of the combination of solid oxide fuel cell, fuel-rich combustion and fuel-lean combustion due to the high temperature of the exhaust gases, is a suitable option for waste heat recovery through power cycles and multi generation. The fuel used in rich combustion in this thesis is methane and glycerol. In this research, two power cycles, the recompression supercritical Brayton cycle and the dual-pressure evaporation organic Rankine cycle for waste heat recovery have been integrated with Flame-assisted Fuel Cell, and the modeling of these combined cycles has been done in EES software. The energy and exergy analysis of Flame-assisted Fuel Cell - recompression supercritical Brayton cycle combined cycle shows that by combining Flame-assisted Fuel Cell with recompression supercritical Brayton cycle at Φ=2.8, the energy and exergy efficiency has increased from 18.62 to 22.91 and 18.05 to 22.21, respectively. dual-pressure evaporation organic Rankine cycle is also combined with FFC for waste heat recovery, where the air entering the fuel cell cathode is preheated by exhaust gases from lean combustion chamber. Preheating the air entering the cathode increases the Flame-assisted Fuel Cell efficiency. At Φ=2.8, the energy and exergy efficiency with the combination of dual-pressure evaporation organic Rankine cycle has reached from 20.54 to 20.95 and from 19.91 to 20.31%, respectively. The comparison of two Flame-assisted Fuel Cell - recompression supercritical Brayton cycle and Flame-assisted Fuel Cell - dual-pressure evaporation organic Rankine cycle combined cycles showed that the Flame-assisted Fuel Cell - recompression supercritical Brayton cycle combined cycle has a higher production capacity and the exergy of the exhaust gases from this combined cycle is higher than the Flame-assisted Fuel Cell - dual-pressure evaporation organic Rankine cycle combined cycle, which can be recovered again.In this thesis, two plans are presented for Flame-assisted Fuel Cell-based multi generation, plan I is a combination of Flame-assisted Fuel Cell with recompression supercritical Brayton cycle, dual-pressure evaporation organic Rankine cycle, Absorption Refrigerant Cycle, and humidification-dehumidification desalination respectively, which has been analyzed thermodynamically and exergeoeconomically. The maximum power density of the fuel cell occurred at Φ=2.8 and j=3500 A/m2 which is equal to 1713 W/m2. The results show that the produced electric power by plan I combined cycle is 187 kW, produced cooling is 2.51 kW and produced fresh water is equal to 143.28 liters per day. Plan II, which is proposed as a combination of Flame-assisted Fuel Cell with recompression supercritical Brayton cycle, Absorption Refrigerant Cycle, dual-pressure evaporation organic Rankine cycle and humidification-dehumidification desalination, respectively. The produced electric power by the plan II combined cycle is 183.3 kilowatts, produced cooling is 20.8 kilowatts and produced fresh water is 165.36 liters per day.Multi generation plan I is also fueled with glycerol fuel. The molar fraction of produced hydrogen by the combustion of methane fuel is higher than of glycerol fuel. The produced electric power by this combined cycle is 190.6 kilowatts, produced cooling is 2.38 kilowatts and produced fresh water is 138.96 liters per day.

Proposition of novel multi generation systems based on flame-assisted fuel cell for residential applications

‏امیری،

‏ محمدباقر

تهیه کننده

یاری،

‏ رنجبر،

‏ فرزاد محمدخانی،

‏ ‏مرتضی

‏ فرامرز

استاد راهنما

استاد راهنما

تبریز