تحلیل قانون اول و دوم ترمودینامیک در یک سیستم تولید همزمان توان و هیدروژن با محرک گاز‌سازی زباله جامد شهری

امروزه با توجه به کاربرد وسیع سیستم‌های تولید همزمان با منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین نیاز دنیا از نظر اقتصادی و محیط زیستی به این سیستم‌ها، طراحی و تحلیل ترمودینامیکی آن‌ها مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته است. از این رو در کار حاضر، یک سیستم تولید همزمان دو‌گانه توان و هیدروژن با طرحی نوین، ساده و در عین حال کاربردی ارائه شده است که شامل چرخه ﺗﻮرﺑﯿﻦﮔﺎزی، گازساز، چرخه‏ گذربحرانی کربن‌دی‌اکسید و الکترولیزر غشاء پروتونی است. طرح مذکور از دیدگاه‌های قانون اول و دوم ترمودینامیک با نرم‌افزار حلگر معادلات مهندسی شبیه‌سازی شده است. سیستم طراحی شده در کنار تولید توان از بیشترین ظرفیت ممکن خود استفاده کرده و سوخت پاک هیدروژن را نیز برای مصرف‌کننده تامین می‌کند. در حالت پایه سیستم به‌ترتیب دارای ظرفیت الکتریکی 3/92 مگاوات بوده و توانایی تولید گاز هیدروژن به میزان 608/8مترمکعب در ساعت را داراست. میزان سوخت مصرفی چرخه 1/155 کیلوگرم بر ثانیه است. ضریب بهره‌وری انرژی و بازده قانون دوم سیستم به‌ترتیب %34/71 و %29/44است. میزان نابودی اگزرژی کل سیستم نیز برابر 11854 کیلووات است. همچنین محفظه احتراق، توربین‌گازی و گازساز بیشترین میزان نابودی اگزرژی را به خود اختصاص داده‌اند. طبق مطالعات پارامتری، مشخص گردید که افزایش دمای ورودی به توربین تاثیر مثبت و افزایش فشار حداکثری چرخه کربن دی اکسید تاثیر منفی بر روی ضریب بهره‌وری انرژی و بازده قانون دوم کل سیستم دارند.

Energy Analysis and Exergy of the System of Simultaneous Production of Power and Hydrogen with the Excitatory Gasification of Municipal Solid Waste

Nowadays, due to the extensive application of renewablebased cogeneration systems and also the economic and environmental necessities, their design and thermodynamic analysis have been conducted by many scientists. In this way, a novel, simple, and practical combined power and hydrogen cogeneration unit have been designed in the present study in which there are gas turbine, gasifier, transcritical Rankine cycle, and proton exchange membrane electrolyzer. This system has been analyzed from the first and second laws of thermodynamics by an engineering equation solver. The proposed system is able to generate power and hydrogen simultaneously for users. The power and hydrogen production capacities of the system are 3.92 MW and 608.8 cubic meters per hour, respectively, which consume biomass of about 1.155 kg/s. The energy utilization factor and exergy efficiency of the system is 34.71 % and 29.44 %, respectively. It can be seen that the overall exergy destruction of the system is 11854 kW, in which gasifier, gas turbine, and combustion chamber have the highest irreversibilities. In addition, it can be concluded that the exergy efficiency of condenser and heat exchanger 3 are the lowest ones among other types of equipment. According to the parametric studies, it was found that increasing the inlet temperature of the gas turbine has a positive effect, and increasing the maximum pressure of the transcritical carbon dioxide cycle has a negative effect on the energy utilization factor and the exergy efficiency of the system.