ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF AN ORGANIC RANKINE CYCLE COMBINED WITH AN ABSORPTION REFRIGERATION

Abstract

In this study, energy and exergy analysis the organic Rankine cycle (ORC) combined with the absorption refrigeration are presented. The combined units have been presented in 3 models to compare the thermal performance. The first model presents the absorption system as the ORC condenser, the second model represents technique for reducing working fluid temperature leaving the ORC expander and the third model shows the absorption system combined with the cooling tower to reduce temperature working fluid at the ORC condenser. R-245fa is selected as working fluid of the ORC system, while the absorption system uses water-lithium bromide solution (H2O-LiBr) and ammonia-water solution (NH3-H2O), respectively. From the study results of H2O-LiBr solution, energy and exergy efficiencies of model 1 were 7.04% and 11.88%, overall efficiencies of the combined cooling and power (CCP) were 18.57% and 42.20%, levelized electric cost (LEC) and exergy levelized electric cost (LExC) were 2.08 Baht/kWh and 8.62 Baht/kWh, respectively. NH3-H2O solution, energy and exergy efficiencies illustrated 7.37% and 12.56%, overall efficiencies of the CCP were 13.93% and 31.20%, LEC and LExC were 3.13 Baht/kWh and 11.33 Baht/kWh, respectively.

Energy and exergy efficiencies of model 2 by using the working fluid H2O-LiBr solution were 7.02% and 10.46%, overall efficiencies of the CCP were 14.43% and 31.91%, LEC and LExC illustrated 2.87 Baht/kWh and 10.73 Baht/kWh, respectively. NH3-H2O solution, energy and exergy efficiencies illustrated 7.23% and 12.24%, while the overall efficiencies of the CCP were 11.84% and 24.98 %, in addition LEC and LExC were 3.63 Baht/kWh and 12.97 Baht/kWh, respectively.

Energy and exergy efficiencies of model 3 by using the working fluid H2O-LiBr solution were 7.21% and 13.10%, while the overall efficiencies of the CCP were 7.13% and 10.61%, LEC and LExC illustrated 4.18 Baht/kWh and 17.70 Baht/kWh, respectively. NH3-H2O solution, energy and exergy efficiencies were 8.46% and 14.36%, overall efficiencies of the CCP illustrated 8.38% and 12.51%, in addition the LEC and LExC were 4.53 Baht/kWh and 15.35 Baht/kWh, respectively. Optimal of the ORC combined with absorption refrigeration presented the model number 1 by using H2O-LiBr solution.

งานวิจัยนี้ได้ทำการวิเคราะห์พลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน โดยระบบการทำงานร่วมดังกล่าวประกอบด้วย 3 รูปแบบ คือ รูปแบบที่ 1 ใช้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมาระบายความร้อนแทนเครื่องควบแน่นในวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ รูปแบบที่ 2 ใช้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมาลดอุณหภูมิสารทำงานบริเวณทางออกของเครื่องขยาย และรูปแบบที่ 3 ใช้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมาลดอุณหภูมิสารทำงานก่อนเข้าเครื่องควบแน่น และใช้น้ำเย็นระบายความร้อนร่วมกับหอระบายความร้อนที่เครื่องควบแน่น ซึ่งสารทำงานที่ใช้ในวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ คือ R-245fa และคู่สารทำงานที่ใช้ในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน คือ สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์และสารละลายแอมโมเนีย-น้ำ จากผลการศึกษาพบว่า รูปแบบที่ 1 ที่ใช้สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์ มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 7.04% และ 11.88% ประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีของการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นมีค่าเท่ากับ 18.57% และ 42.20% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 2.08 Baht/kWh และ 8.62 Baht/kWh ตามลำดับ ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 7.37% และ 12.56% ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีมีค่าเท่ากับ 13.93% และ 31.20% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 3.13 Baht/kWh และ 11.33 Baht/kWh ตามลำดับ

รูปแบบที่ 2 ที่ใช้สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 7.02% และ 10.46% ประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีของการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นมีค่าเท่ากับ 14.43% และ 31.91% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 2.87 Baht/kWh และ 10.73 Baht/kWh ตามลำดับ ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 7.23% และ 12.24% ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีมีค่าเท่ากับ 13.93% และ 31.20% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 3.63 Baht/kWh และ 12.97 Baht/kWh ตามลำดับ

รูปแบบที่ 3 ที่ใช้สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 7.21% และ 13.10% ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีมีค่าเท่ากับ 7.13% และ10.61% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 4.18 Baht/kWh และ 17.70 Baht/kWh ตามลำดับ เมื่อใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำมีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ร่วมกับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเท่ากับ 8.46 และ 14.36% ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าร่วมความเย็นด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีมีค่าเท่ากับ 8.38% และ 12.51% ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จีเท่ากับ 4.53 Baht/kWh และ 15.35 Baht/kWh ตามลำดับ รูปแบบการทำงานร่วมที่เหมาะสมที่สุด คือ รูปแบบที่ 1 ที่ใช้สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์ ซึ่งเป็นรูปแบบที่มีต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยด้านพลังงานและเอ็กเซอร์จี ต่ำที่สุด