Thermal integration of combustion-based energy generators by heat recirculation

• Autorzy: Budzianowski W. M.

Warianty tytułu

PL

Integracja termiczna układów generacji energii opartych o spalanie paliw z wykorzystaniem recyrkulacji ciepła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In many combustion-based energy generators heat recirculation is needed in order to increase their thermal efficiency and ensure sufficiently high fuel oxidation temperatures. The present article provides the results of experiments of a heat recirculation phenomenon by using a set-up consisting of an electric heater coupled to a gas-gas recuperator. The ex-perimental characteristics of this heat-recirculating system are presented as the effect of the power of the heater (PH) at con-stant mass flow rate of the gas (m), the effect of m at constant PH, and the effect of m at constant PH/m ratio on heat trans-ferred in the recuperator (QR), heat lost to the surroundings (QL), and a temperature rise in the hot part of the apparatus (TH-TIN). It is found that heat recirculation is intensified in systems having higher power PH, involving heat transfer in a dispersive mode and utilising mini-channel heat exchangers. Further, it is confirmed that at large flows m the investigated system is characterised by increased adiabaticity. Based on those observations, main design and integration principles of heat-recircu-lating systems are expounded. Finally, the application of thermal integration by heat recirculation to selected energy genera-tors is discussed. The four analysed examples relate to power systems fired with low-calorific gaseous fuels, hydrogen gen-eration systems, waste-to-energy systems and single-chamber SOFC systems.

PL

Liczne układy generacji energii oparte o spalanie paliw wymagają recyrkulacji ciepła by zapewnić im wysoką sprawność termiczną i odpowiednio wysokie temperatury spalania paliwa. Bieżący artykuł prezentuje wyniki eksperymentów zjawiska recyrkulacji ciepła przy użyciu układu złożonego z grzałki elektrycznej i rekuperatora gaz-gaz. Przedstawiono charakterystyki eksperymentalne tego układu z recyrkulacją ciepła, t.j. wpływ mocy grzałki (PH) przy stałym masowym natężeniu przepływu gazu (m), wpływ m przy stałym PH i wpływ m przy stałym stosunku PH/m na ciepło wymienione w rekuperatorze (QR), straty ciepła do otoczenia (QL) i przyrost temperatury w gorącej części aparatu (TH-TIN). Stwierdzono wyższą skuteczność recyrkulacji ciepła dla układów o dużej mocy PH, wykorzystujących transport ciepła w reżimie dyspersyjnym oraz stosujących minikanałowe wymienniki ciepła. Ponadto dla dużych przepływów m potwierdzono uzyskiwanie zwiększonej adiabatyczności badanego układu. Na tej podstawie nakreślono główne zasady użyteczne w projektowaniu i integracji układów z recyrkulacją ciepła. Następnie omówiono zastosowanie integracji termicznej z recyrkulacją ciepła do wybranych układów generacji energii. Cztery analizowane przykłady dotyczą układów energetycznych opalanych niskokalorycznym paliwem gazowym, układów generacji wodoru, układów termicznej utylizacji odpadów i układów zawierających jednokomorowe stałotlenkowe ogniwa paliwowe.

Słowa kluczowe

EN

thermal integration; heat recirculation; combustion; efficiency

PL

integracja termiczna; recyrkulacja ciepła; spalanie; sprawność

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2010
• Tom: nr 6
• Strony: 108--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., fig.

Twórcy

autor

Budzianowski W. M.

• Wrocław University of Technology, Wrocław, Poland,

Bibliografia

• [1] Ahn J., Ronney P.D., Shao Z., Haile S.M.: A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell. Journal of Fuel Cell Science and Technology 6(4) (2009) 0410041.
• [2] Badyda K.: Characterises of advanced gas turbine cycles. Rynek Energii 88(3) (2010) 80-86.
• [3] Budzianowski W.M.: A comparative framework for recirculating combustion of gases. Archivum Combustionis 30 (2010) 25-36.
• [4] Budzianowski W.M.: An oxy-fuel mass-recirculating process for H2 production with CO2 capture by autothermal catalytic oxyforming of methane. International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 7454-7469.
• [5] Budzianowski W.M.: A rate-based method for design of reactive gas-liquid systems, Rynek Energii 83(4) (2009) 21-26.
• [6] Budzianowski W.M.: Engineering benefits of mass recirculation in novel energy technologies with CO2 capture. Rynek Energii 88(3) (2010) 151-158.
• [7] Budzianowski W.M.: Mass-recirculating systems in CO2 capture technologies: A review. Recent Patents on Engineering 4 (2010) 15-43.
• [8] Budzianowski W.M.: Role of catalytic technologies in combustion of gaseous fuels. Rynek Energii 82(3) (2009) 59-63.
• [9] Budzianowski W.M.: Thermal and bifurcation characteristics of heat-recirculating conversion of gaseous fuels. Archives of Thermodynamics 31(2) (2010) 63-76.
• [10] Budzianowski W.M., Koziol A.: Determination of parameters of a catalyst particle in non-stationary conditions. Chemical Process Engineering 25 (2004) 751-756.
• [11] Budzianowski W., Koziol A.: Stripping of ammonia from aqueous solutions in the presence of carbon dioxide: Effect of negative enhancement of mass transfer. Chemical Engineering Research and Design 83 (2005) 196-204.
• [12] Budzianowski W.M., Miller R.: Auto-thermal combustion of lean gaseous fuels utilizing a recuperative annular double-layer catalytic converter. Canadian Journal of Chemical Engineering 86 (2008) 778-790.
• [13] Budzianowski W.M., Miller R.: Effect of energy release and detailed surface mechanisms on multicomponent catalytic combustion. Environment Protection Engineering 34(4) (2008) 17-26.
• [14] Budzianowski W.M., Miller R.: Superadiabatic lean catalytic combustion in a high-pressure reactor. International Journal of Chemical Reactor Engineering 7 (2009) A20.
• [15] Budzianowski W.M., Miller R.: The effect of process factors on the reaction rate of catalytic combustion: by a new method and a new reactor configuration. Chemical Process Engineering 30 (2009) 149-161.
• [16] Budzianowski W.M., Miller R.: Towards improvements in thermal efficiency and reduced harmful emissions of combustion processes by using recirculation of heat and mass: A review. Recent Patents on Mechanical Engineering 2 (2009) 228-239.
• [17] Chen W.-H., Chiu T.-W., Hung C.-I.: Hydrogen production from methane under the interaction of catalytic partial oxidation, water gas shift reaction and heat recovery. International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 12808-12820.
• [18] Chen W.-H., Chiu T.-W., Hung C.-I.: Hysteresis loops of methane catalytic partial oxidation for hydrogen production under the effects of varied Reynolds number and Damköler number. International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 6291-6302.
• [19] Ejlali A., Ejlali A., Hooman K., Gurgenci K.: Application of high porosity metal foams as air-cooled heat exchangers to high heat load removal systems. International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (2009) 674-679.
• [20] Greer T., Bedelbayev A., Igreja J.M., Gomes J.F., Lie B.: A simulation study on the abatement of CO2 emissions by de-absorption with monoethanolamine. Environmental Technology 31 (2010) 107-115.
• [21] Kotowicz J., Bartela Ł.: The influence of economic parameters on the optimal values of the design variables of a combined cycle plant. Energy 35 (2010) 911-919.
• [22] Kotowicz J., Iluk T.: Integrated gasification combined cycles. Rynek Energii 76(3) (2008) 34-40.
• [23] Lichota J.: Gas turbine control on energy market using artificial neural network. Rynek Energii 75(2) (2008) 39-45.
• [24] Marin P., Ordonez S., Diez S.V.: Monoliths as suitable catalysts for reverse-flow combustors: Modeling and experimental validation. AIChE Journal 56 (2010) doi: 10.1002/aic.12215.
• [25] Milewski J., Badyda K., Miller A.: Modelling the influence of fuel composition on solid oxide fuel cell by using the advanced mathematical model. Rynek Energii 88(3) (2010) 159-163.
• [26] Najser J., Ochodek T., Chłond R.: Functioning of installation for a biomass gasification and economic aspects of electricity generation. Rynek Energii 85(6) (2009) 68-74.
• [27] Panayiotou G., Kalogirou S., Tassou S.: Solar hydrogen production and storage techniques. Recent Patents on Mechanical Engineering 3 (2010) 154-159.
• [28] Rusinowski H., Pluta Ł., Milejski A.: Energy utilization from the low-calorific technological gases. Rynek Energii 88(3) (2010) 87-93.
• [29] Stehlik P.: Heat exchangers as equipment and integrated items in waste and biomass processing. Heat Transfer Engineering 28 (2007) 383-397.
• [30] Teodorczyk A.: Scale effects on hydrogen-air fast deflagrations and detonations in small obstructed channels. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 21 (2008) 147-153.
• [31] Zhang X., Chan S.H., Li G., Ho H.K., Li J., Feng Z.: A review of integration strategies for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources 195 (2010) 685-702.
• [32] Zitney S.E.: Process/equipment co-simulation for design and analysis of advanced energy systems. Computers and Chemical Engineering 34 (2010) 1532-1542.