Thermo-Economic Assessment and Knowledge Transfer Model of a novel cascade Organic Rankine Cycle - Ejector Cooling System for Electricity Generation

Abstract

The condensation pressure of the Organic Rankine Cycle plays a key role in the thermal efficiency of the system because it is a key to the expansion ratio of the expander. However, the condensation pressure is limited to the ambient condition, and, hence, the operation of the ORC under hot and humid ambient will produce a poorer performance. To overcome this, lowering condensation pressure via a heat-driven refrigeration machine is a solution to yield more mechanical work of the ORC’s expander. This paper proposes an energy, exergy, economic and exergoeconomic (4E) analysis of Organic Rankine Cycle (ORC) enhanced by the ejector refrigeration system. Two systems are combined via the intercooler where the unwanted heat is transferred to the ejector cooling loop. The major reason is to reduce the discharge pressure of the expander so that a higher power is achieved. However, the combined system requires more equipment and energy input, and, hence, 4E analysis is an efficient tool for assessing the feasibility of it in practical use based on the comprehensive analysis. A theoretical model is formulated to examine both energy and exergy performance indicators together with key economic metrics. Parametric investigations are conducted to investigate the effects of the intercooler temperature (16–22 °C) and generator temperature (70–85 °C) on overall system performance. It is found that the integration of an ejector cooling cycle (ORC-ECC) can significantly enhance the thermo-economic potential of waste-heat power generation systems compared to a standard ORC, both from an exergoeconomic and LCOE perspective. The exergoeconomic analysis identified that, while the expander dominates the cost of standard ORC, the condenser and cooling tower become the critical component of the ORC-ECC due to their high exergy-destruction costs. At the system level, the LCOE results confirm that ORC-ECC can achieve 37–38% lower electricity generation costs compared to standard ORC.

ความดันควบแน่นเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดอัตราส่วนการขยายตัวของเอกซ์แพนเดอร์ และส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพความร้อนของระบบ Organic Rankine Cycle (ORC) อย่างไรก็ตาม ความดันควบแน่นถูกจำกัดด้วยสภาพแวดล้อม ทำให้ ORC ที่ทำงานภายใต้สภาพอากาศร้อนชื้นมีสมรรถนะด้อยลงอย่างชัดเจน เพื่อแก้ข้อจำกัดนี้ แนวทางหนึ่งคือการลดความดันควบแน่นด้วยเครื่องทำความเย็นขับเคลื่อนด้วยความร้อน ซึ่งช่วยเพิ่มงานกลที่ผลิตได้จากเอกซ์แพนเดอร์ของ ORCงานวิจัยนี้นำเสนอการผสานวัฎจักรกำลังไอสารอินทรีย์กับระบบทำความเย็นอีเจคเตอร์ (ORC-ECC) โดยเชื่อมต่อผ่านอินเตอร์คูลเลอร์ เพื่อถ่ายเทความร้อนส่วนเกินจากวัฎจักรกำลังไอสารอินทรีย์ไปสู่วงจรความเย็น โดยมีวัตถุประสงค์หลักในการลดแรงดันปลายทางของเอกซ์แพนเดอร์เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าสูงขึ้น การประเมินผ่านกรอบวิเคราะห์ 4E (Energy, Exergy, Economic and Exergoeconomic) จะช่วยสะท้อนความเป็นไปได้เชิงเทคโนโลยีและเศรษฐศาสตร์ได้อย่างรอบด้านงานวิจัยได้มีการพัฒนาแบบจำลองเชิงทฤษฎีเพื่อประเมินตัวชี้วัดพลังงานและเอกเซอร์จีควบคู่ไปกับดัชนีทางเศรษฐศาสตร์ พร้อมทำการศึกษาปัจจัยเชิงพารามิเตอร์ โดยพิจารณาผลของอุณหภูมิอินเตอร์คูลเลอร์ (16–22 °C) และอุณหภูมิเจเนอเรเตอร์ (70–85 °C) ต่อสมรรถนะโดยรวมของระบบผลการศึกษาระบุว่า การผสานวัฎจักรกำลังไอสารอินทรีย์กับระบบทำความเย็นอีเจคเตอร์ (ORC-ECC) สามารถยกระดับศักยภาพทางเทอร์โม–เศรษฐศาสตร์ของระบบผลิตไฟฟ้าจากความร้อนเหลือทิ้งได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับระบบ ORC มาตรฐาน ทั้งจากมุมมองเอกเซอร์โกอีโคโนมิกและต้นทุนไฟฟ้าระดับชั้น (LCOE) โดยการวิเคราะห์เอกเซอร์โกอีโคโนมิกพบว่า แม้อุปกรณ์ต้นทุนหลักของ ORC มาตรฐานคือเอกซ์แพนเดอร์ แต่เมื่อผนวกรวม ECC แล้ว คอนเดนเซอร์และคูลลิ่งทาวเวอร์กลายเป็นองค์ประกอบที่มีต้นทุนความสูญเสียเอกเซอร์จีสูงที่สุด สำหรับระดับระบบ ผลลัพธ์ LCOE ยืนยันว่า ORC-ECC สามารถลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 37–38% เมื่อเทียบกับ ORC มาตรฐานกล่าวโดยสรุป การบูรณาการ ORC-ECC ช่วยลดข้อจำกัดเชิงสภาพแวดล้อมของการควบแน่น และส่งเสริมความคุ้มค่าทั้งด้านพลังงาน เอกเซอร์จี และเศรษฐศาสตร์ ทำให้เป็นแนวทางที่มีศักยภาพสำหรับการนำพลังงานความร้อนเหลือทิ้งมาผลิตไฟฟ้าในสภาพภูมิอากาศร้อนชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น