مهندسی شیمی ایران

مهندسی شیمی ایران

طراحی مولکولی سیال عامل چرخه آلی رانکین (چرخال) خورشیدی با درنظرگرفتن تغییرات دمای منبع گرم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه طراحی فرایند، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
10.22034/ijche.2026.582627.1608
چکیده
در چرخه‌های آلی رانکین (چرخال) خورشیدی، شرایط فرایندی از شدت تابش خورشید، شرایط آب‌وهوایی، ساعت روز و فصل تأثیر می‌پذیرد. در بسیاری از مطالعات انتخاب یا طراحی سیال عامل بر اساس شرایط ثابت انجام شده و اثر تغییرات دمای منبع بر ماهیت سیال بهینه کمتر بررسی شده است. در این پژوهش، یک چارچوب طراحی ماده به کمک کامپیوتر (طراما)، برای طراحی سیال عامل چرخال خورشیدی در سطوح متفاوت دمایی منبع گرم (بین 50 تا 200 درجه سانتی‌گراد) توسعه داده شد. مسئله طراحی در قالب یک مدل برنامه‌ریزی غیرخطی با متغیرهای پیوسته و گسسته فرمول‌بندی شد. در مدل پیشنهادی، قیود ساختاری مولکول، قیود ترمودینامیکی، محدودیت‌های فشار عملیاتی، و شاخص‌های ایمنی و زیست‌محیطی شامل پتانسیل گرمایش جهانی، سمیت، نقطه اشتعال و حداقل انرژی اشتعال و تابع هدف این مطالعه مقدار کار تولیدی در توربین در نظر گرفته شدند. نتایج نشان داد که تغییر دمای منبع گرم می‌تواند به طراحی دو سیال کاملاً متفاوت منجر شود. برای سناریوهای دما پایین یک هیدروکربن فلوئوردار و برای سناریوی دمای بالا یک هیدروکربن به‌عنوان گزینه بهینه شناسایی شدند. میزان کار تولیدی در سناریوهای مختلف بین 1 تا 51 کیلووات متغیر بود. همچنین شرایط عملیاتی چرخه شامل فشار و دما جریان‌ها و به ویژه دبی جریانی در سناریوهای مختلف تغییرات قابل توجهی داشت (از 9 تا 111 کیلومول در ساعت). این یافته نشان می‌دهد که انتخاب سیال عامل برای چرخه‌های خورشیدی نباید مستقل از تغییرات دمایی منبع گرم انجام شود. انتخاب نهایی سیال نیازمند شبیه‌سازی کامل فرایندی، تحلیل سالانه عملکرد و بررسی عدم‌قطعیت خواص است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Molecular Design of Working Fluids for a Solar Organic Rankine Cycle (ORC) Considering Hot Source Temperature Variations

نویسندگان English

Amirreza Khayyat
Saeed Eini
Mohammadamir Fardian
Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In solar Organic Rankine Cycles (ORCs), the process directly influenced by solar radiation intensity and weather conditions. However, in many previous studies, the selection or design of working fluids has been performed based on fixed conditions, while the effect of collector outlet temperature variations on the nature of the optimal fluid has received less attention. In this study, a Computer-Aided Molecular Design (CAMD) framework was developed for the design of ORC working fluids at six hot source temperatures between 50oC and 200oC. The design problem was formulated and solved as a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model. In the proposed framework, molecular structural constraints, thermodynamic constraints, operational pressure limitations, and environmental and safety indicators including global warming potential, toxicity, flash point, and minimum ignition energy were considered. The turbine work output was defined as the primary objective function. The results demonstrated that variations in hot source temperature can lead to the design of two completely different fluids. For the low-temperature scenarios, a fluorinated hydrocarbon was identified as the optimal fluid, whereas for the high-temperature scenarios, a hydrocarbon was selected as the optimal candidate. Turbine power output varied between 1 and 51 kW, with significant shifts in operating conditions, including stream pressures and mass flow rates (ranging from 9 to 111 kmol/h). These findings indicate that the selection of working fluids for solar ORC systems should not be carried out independently of hot source temperature variations. Final fluid selection requires comprehensive process flexibility analysis, annual performance analysis, and property uncertainty assessment.

کلیدواژه‌ها English

ORC
Working fluid design
CAMD
Heat-source variation
Group-contribution method
Molecular optimization

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 مرداد 1405