Thermal Performance of Small Incinerator for Combined Heat and Power by Organic Rankine Cycle
Keywords:
Thermal performance, Small incinerator, Combined heat and power, Organic Rankine cycleAbstract
This research studied the thermal performance of a small incinerator at a combustion rate of 1 ton/day combined with heating production from three heating fluids of water, steam, and hot oil for electricity production using an organic Rankine cycle at an electrical power capacity of 20 kWe. Computational fluid dynamics and mathematical modeling methods were used to evaluate the suitable working conditions of the cogeneration system of the three hot fluids. From the study results, the small incinerator at a heating capacity of approximately 240 kW could transfer heat into the hot fluid of water at a suitable temperature of 116.57 °C by using R-236ea at a maximum power efficiency of 7.58%. At the same time, the use of steam at a temperature of 143.25 °C for R-245ca showed a maximum power efficiency of 11.70%. In the case of hot oil, a suitable temperature of 189.61 °C for using R-141b was able to transfer heat at a maximum power efficiency of 14.19%.
References
1.Chaiyat, N. and Kiatsiriroat, T. (2015). Analysis of combined cooling heating and power generation from organic Rankine cycle and absorption system, Energy, vol. 91, November 2015, pp. 363-370.
2.Costa, M., Massarotti, N., Mauro, A., Arpino, F. and Rocco, V. (2016). CFD modelling of a RDF incineration plant, Applied Thermal Engineering, vol. 101, January 2016, pp. 710-719.
3.Dong, W. and Blasiak, W. (2001). CFD modeling of ecotube system in coal and waste grate combustion, Energy Conversion and Management, Stockholm, Sweden.
4.Hamdhan, I.N. and Clarke, B.G. (2010). Determination of Thermal Conductivity of Coarse and Fine Sand Soils, Proceedings World Geothermal Congress, Bali, Indonesia.
5.Hans-Heinz, F., Bernhard, P., Hans, H. and Jurgen, V. (2003). Characterization of municipal solid waste combustion in a grate furnace, Waste Management, vol. 23, June 2002, pp. 689-701.
6.Imran, M., Park, B.S., Kim, H. J., Lee, D.H., Usman, M. and Heo, M. (2014). Thermo-economic optimization of Regenerative Organic Rankine Cycle for waste heat recovery applications, Energy Conversion and Management, vol. 87, November 2014, pp. 107-118.
7.Li, J., Pei, G., Li, Y., Wang, D. and Ji, J. (2012). Energetic and exergetic investigation of an organic Rankine cycle at different heat source temperatures, Energy, vol. 38(1), February 2012, pp. 85-95.
8.Nguyen, T.D.B., Kang, T.H., Lim, Y.I., Eom, W.H., Kim, S.J. and Yoo, K.S. (2009). Application of urea-based SNCR to a municipal incinerator: On-site test and CFD simulation, Chemical Engineering Journal, vol. 152(1), October 2009, pp. 36-43.
9.Rezeau, A. Díez, L.I., Royo, J. and Díaz-Ramírez, M. (2018). Efficient diagnosis of grate-fired biomass boilers by a simplified CFD-based approach, Fuel Processing Technology, vol. 171, March 2018, pp. 318-329.
10.Saad, A. and Emad, H. (2019). Simulation of combustion of sesame and broad bean stalks in the freeboard zone inside a pilot-scale bubbling fluidized bed combustor using CFD modeling, Applied Thermal Engineering, vol. 158, July 2019, pp. 113767.
11.Silve, J., Teixeira, J., Teixeira, S., Preziati, S. and Cassiano, J. (2017). CFD Modeling of Combustion in Biomass Furnace, Energy Procedia, vol. 120, August 2017, pp. 655-672.
12.Soria, J., Gauthier, D., Falcoz, Q., Flamant, G. and Mazza, G. (2013). Local CFD kinetic model of cadmium vaporization during fluid bed incineration of municipal solid waste, Journal of Hazardous Materials, vol. 248-249, March 2013, pp. 276-284.
13.Soria, J., Gauthier, D., Falcoz, Q., Flamant, G. and Mazza, G. (2015). Coupling scales for modelling heavy metal vaporization from municipal solid waste incineration in a fluid bed by CFD, Waste Management, vol. 43, September 2015, pp. 176-187.
14.Sung, T. and Kim, K.C. (2017). An organic Rankine cycle for two different heat sources: steam and hot water, Energy Procedia, vol. 129, September 2017, pp. 883-890.
15.Wakaiyang, Y. and Chaiyat, N. (2016). Analysis of Selection Working Fluid of Organic Rankine Cycle for Thailand, The 9th Thailand Renewable Energy for Community Conference (TREC-9), Doi Saket, Chiang Mai.
16.Wang, X., Levy, E.K., Pan, C., Romero, C.E., Banerjee, A., Rubio-Maya, C. and Pan, L. (2019). Working fluid selection for organic Rankine cycle power generation using hot produced supercritical CO2 from a geothermal reservoir, Applied Thermal Engineering, vol. 149, February 2019, pp. 1287-1304.
17.Wissing, F., Wirtz, S. and Scherer, V. (2017). Simulating municipal solid waste incineration with a DEM/CFD method – Influences of waste properties, grate and furnace design, Fuel, vol. 206, June 2017, pp. 638-656.
18.Xu, W., Deng, S., Zhao, L., Zhao, D. and Chen, R. (2019). Identification of key affecting parameters of zeotropic working fluid on subcritical organic Rankine cycle according limiting thermodynamic cycle, Energy Conversion and Management, vol. 197, October 2019, pp. 111884.
19.Zhang, X., Zhang, Y., Cao, M., Wang, J., Wu, Y. and Ma, C. (2019). Working fluid selection for organic rankine cycle using single-screw expander, Energies, vol. 12, August 2019, pp. 1-23.
20.Zhong, H., Xiong, Q., Zhu, Y., Liang, S., Zhang, J., Niu, B. and Zhang, X. (2019). CFD modeling of the effects of particle shrinkage and intra-particle heat conduction on biomass fast pyrolysis, Renewable Energy, vol. 141, October 2019, pp. 236-245.
21.ชลนิษา อยู่สุข, สิโรตม์ วิศวสมภพม และอมเรศ เจตน์ฐากูร (2558) แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของโรงไฟฟ้าจากวัฏจักรแรงคินโดยใช้สารอินทรีย์ ปริญญานิพนธ์วิศวกรรมบัณฑิต ภาควิชาวิศวรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา จังหวัดชลบุรี.
22.ซุลกิพลี กาซอ, พีระพงศ์ ทีฆสกุล และธวัฒน์ชัย เทพนวล. (2555). การกระจายอุณหภูมิภายในโรงอบยางแผ่นดิบพลังงานแสงและชีวมวลโดยใช้การคำนวณทางพลศาสตร์ของไหลในสภาวะที่ไม่มีแผ่นยาง, งานประชุมวิชาการระดับชาติ มหาลัยทักษิณ ครั้งที่ 23, มหาวิทยาลัยทักษิณ จังหวัดสงขลา.
23.นำพร ปัญโญใหญ่, ธนศิษฏ์ วงศ์ศิริอำนวย และทิพาพร คำแดง. (2559). การจำลองอุณหภูมิผนังเตาเผาขยะชุมชนโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์, การประชุมวิชาการวิจัยและนวัตกรรมสร้างสรรค์ ครั้งที่ 3, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา จังหวัดเชียงใหม่
24.นัฐพร ไชยญาติ. (2561). การออกแบบระบบพลังงานทดแทน (Renewable Energy System Design). เชียงใหม่: โรงพิมพ์แห่ง แม่โจ้มหาวิทยาลัย.
25.บริษัท การปิโตรเลียมแห่งประเทศไทย จำกัด (มหาชน). (2561). Ptt Hitemp 500 heat transfer fluid, [ระบบออนไลน์], แหล่งที่มาhttps://pttlubricants.pttor.com/assets/file_pds_msds/PTT%20HITEMP%20500.pdf, เข้าดูเมื่อวันนที่ 30/08/2562.
26.สัญชัย รำเพยพัด, ฉัตรชัย เบญจปิยะพร, เด่นพงษ์ สุดภักดี และจุฬาภรณ์ เบญจปิยะพร. (2547). การจำลองเชิงตัวเลขการไหลของอากาศในเตาเผาไหม้ชานอ้อย, การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 18, มหาวิทยาลัยขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น
2.Costa, M., Massarotti, N., Mauro, A., Arpino, F. and Rocco, V. (2016). CFD modelling of a RDF incineration plant, Applied Thermal Engineering, vol. 101, January 2016, pp. 710-719.
3.Dong, W. and Blasiak, W. (2001). CFD modeling of ecotube system in coal and waste grate combustion, Energy Conversion and Management, Stockholm, Sweden.
4.Hamdhan, I.N. and Clarke, B.G. (2010). Determination of Thermal Conductivity of Coarse and Fine Sand Soils, Proceedings World Geothermal Congress, Bali, Indonesia.
5.Hans-Heinz, F., Bernhard, P., Hans, H. and Jurgen, V. (2003). Characterization of municipal solid waste combustion in a grate furnace, Waste Management, vol. 23, June 2002, pp. 689-701.
6.Imran, M., Park, B.S., Kim, H. J., Lee, D.H., Usman, M. and Heo, M. (2014). Thermo-economic optimization of Regenerative Organic Rankine Cycle for waste heat recovery applications, Energy Conversion and Management, vol. 87, November 2014, pp. 107-118.
7.Li, J., Pei, G., Li, Y., Wang, D. and Ji, J. (2012). Energetic and exergetic investigation of an organic Rankine cycle at different heat source temperatures, Energy, vol. 38(1), February 2012, pp. 85-95.
8.Nguyen, T.D.B., Kang, T.H., Lim, Y.I., Eom, W.H., Kim, S.J. and Yoo, K.S. (2009). Application of urea-based SNCR to a municipal incinerator: On-site test and CFD simulation, Chemical Engineering Journal, vol. 152(1), October 2009, pp. 36-43.
9.Rezeau, A. Díez, L.I., Royo, J. and Díaz-Ramírez, M. (2018). Efficient diagnosis of grate-fired biomass boilers by a simplified CFD-based approach, Fuel Processing Technology, vol. 171, March 2018, pp. 318-329.
10.Saad, A. and Emad, H. (2019). Simulation of combustion of sesame and broad bean stalks in the freeboard zone inside a pilot-scale bubbling fluidized bed combustor using CFD modeling, Applied Thermal Engineering, vol. 158, July 2019, pp. 113767.
11.Silve, J., Teixeira, J., Teixeira, S., Preziati, S. and Cassiano, J. (2017). CFD Modeling of Combustion in Biomass Furnace, Energy Procedia, vol. 120, August 2017, pp. 655-672.
12.Soria, J., Gauthier, D., Falcoz, Q., Flamant, G. and Mazza, G. (2013). Local CFD kinetic model of cadmium vaporization during fluid bed incineration of municipal solid waste, Journal of Hazardous Materials, vol. 248-249, March 2013, pp. 276-284.
13.Soria, J., Gauthier, D., Falcoz, Q., Flamant, G. and Mazza, G. (2015). Coupling scales for modelling heavy metal vaporization from municipal solid waste incineration in a fluid bed by CFD, Waste Management, vol. 43, September 2015, pp. 176-187.
14.Sung, T. and Kim, K.C. (2017). An organic Rankine cycle for two different heat sources: steam and hot water, Energy Procedia, vol. 129, September 2017, pp. 883-890.
15.Wakaiyang, Y. and Chaiyat, N. (2016). Analysis of Selection Working Fluid of Organic Rankine Cycle for Thailand, The 9th Thailand Renewable Energy for Community Conference (TREC-9), Doi Saket, Chiang Mai.
16.Wang, X., Levy, E.K., Pan, C., Romero, C.E., Banerjee, A., Rubio-Maya, C. and Pan, L. (2019). Working fluid selection for organic Rankine cycle power generation using hot produced supercritical CO2 from a geothermal reservoir, Applied Thermal Engineering, vol. 149, February 2019, pp. 1287-1304.
17.Wissing, F., Wirtz, S. and Scherer, V. (2017). Simulating municipal solid waste incineration with a DEM/CFD method – Influences of waste properties, grate and furnace design, Fuel, vol. 206, June 2017, pp. 638-656.
18.Xu, W., Deng, S., Zhao, L., Zhao, D. and Chen, R. (2019). Identification of key affecting parameters of zeotropic working fluid on subcritical organic Rankine cycle according limiting thermodynamic cycle, Energy Conversion and Management, vol. 197, October 2019, pp. 111884.
19.Zhang, X., Zhang, Y., Cao, M., Wang, J., Wu, Y. and Ma, C. (2019). Working fluid selection for organic rankine cycle using single-screw expander, Energies, vol. 12, August 2019, pp. 1-23.
20.Zhong, H., Xiong, Q., Zhu, Y., Liang, S., Zhang, J., Niu, B. and Zhang, X. (2019). CFD modeling of the effects of particle shrinkage and intra-particle heat conduction on biomass fast pyrolysis, Renewable Energy, vol. 141, October 2019, pp. 236-245.
21.ชลนิษา อยู่สุข, สิโรตม์ วิศวสมภพม และอมเรศ เจตน์ฐากูร (2558) แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของโรงไฟฟ้าจากวัฏจักรแรงคินโดยใช้สารอินทรีย์ ปริญญานิพนธ์วิศวกรรมบัณฑิต ภาควิชาวิศวรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา จังหวัดชลบุรี.
22.ซุลกิพลี กาซอ, พีระพงศ์ ทีฆสกุล และธวัฒน์ชัย เทพนวล. (2555). การกระจายอุณหภูมิภายในโรงอบยางแผ่นดิบพลังงานแสงและชีวมวลโดยใช้การคำนวณทางพลศาสตร์ของไหลในสภาวะที่ไม่มีแผ่นยาง, งานประชุมวิชาการระดับชาติ มหาลัยทักษิณ ครั้งที่ 23, มหาวิทยาลัยทักษิณ จังหวัดสงขลา.
23.นำพร ปัญโญใหญ่, ธนศิษฏ์ วงศ์ศิริอำนวย และทิพาพร คำแดง. (2559). การจำลองอุณหภูมิผนังเตาเผาขยะชุมชนโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์, การประชุมวิชาการวิจัยและนวัตกรรมสร้างสรรค์ ครั้งที่ 3, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา จังหวัดเชียงใหม่
24.นัฐพร ไชยญาติ. (2561). การออกแบบระบบพลังงานทดแทน (Renewable Energy System Design). เชียงใหม่: โรงพิมพ์แห่ง แม่โจ้มหาวิทยาลัย.
25.บริษัท การปิโตรเลียมแห่งประเทศไทย จำกัด (มหาชน). (2561). Ptt Hitemp 500 heat transfer fluid, [ระบบออนไลน์], แหล่งที่มาhttps://pttlubricants.pttor.com/assets/file_pds_msds/PTT%20HITEMP%20500.pdf, เข้าดูเมื่อวันนที่ 30/08/2562.
26.สัญชัย รำเพยพัด, ฉัตรชัย เบญจปิยะพร, เด่นพงษ์ สุดภักดี และจุฬาภรณ์ เบญจปิยะพร. (2547). การจำลองเชิงตัวเลขการไหลของอากาศในเตาเผาไหม้ชานอ้อย, การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 18, มหาวิทยาลัยขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น
Downloads
Published
2021-01-18
Issue
Section
บทความวิจัย
