An unified approach to limits on power generation and power consumption in thermo-electro-chemical systems

Stanisław Sieniutycz

Abstract

This research presents a unified approach to power limits in power producing and power consuming systems, in particular those using renewable resources. As a benchmark system which generates or consumes power, a well-known standardized arrangement is considered, in which two different reservoirs are separated by an engine or a heat pump. Either of these units is located between a resource fluid (‘upper’ fluid 1) and the environmental fluid (‘lower’ fluid, 2). Power yield or power consumption is determined in terms of conductivities, reservoir temperatures and internal irreversibility coefficient, F. While bulk temperatures Ti of reservoirs’ are the only necessary state coordinates describing purely thermal units, in chemical (electrochemical) engines, heat pumps or separators it is necessary to use both temperatures and chemical potentials mk. Methods of mathematical programming and dynamic optimization are applied to determine limits on power yield or power consumption in various energy systems, such as thermal engines, heat pumps, solar dryers, electrolysers, fuel cells, etc. Methodological similarities when treating power limits in engines, separators, and heat pumps are shown. Numerical approaches to multistage systems are based on methods of dynamic programming (DP) or on Pontryagin’s maximum principle. The first method searches for properties of optimal work and is limited to systems with low dimensionality of state vector, whereas the second investigates properties of differential (canonical) equations derived from the process Hamiltonian. A relatively unknown symmetry in behaviour of power producers (engines) and power consumers is enunciated in this paper. An approximate evaluation shows that, at least ¼ of power dissipated in the natural transfer process must be added to a separator or a heat pump in order to assure a required process rate. Applications focus on drying systems which, by nature, require a large amount of thermal or solar energy. We search for minimum power consumed in one-stage and multi-stage operation of fluidized drying. This multi-stage system is supported by heat pumps. We outline the related dynamic programming procedure, and also point out a link between the present irreversible approach and the classical problem of minimum reversible work driving the system.
Author Stanisław Sieniutycz (FCPE / DSP)
Stanisław Sieniutycz,,
- Department of Separation Processes
Journal seriesEntropy-Switz, ISSN 1099-4300
Issue year2013
Vol15
No2
Pages650-677
Publication size in sheets1.35
Keywords in Polishsilniki, pompy ciepła, separatory, suszarki, energia słoneczna, limity mocy, zużycie energii
Keywords in Englishengines, heat pumps, separators, dryers, solar energy, power limits, energy consumption
Abstract in PolishW tym syntetyzującym podejściu, metody badawcze programowania matematycznego I optymalizacji dynamicznej są stosowane aby określić limity na produkcję lub zużycie mocy w różnych systemach energetycznych, takich jak silniki cieplne, pompy ciepła, suszarki słoneczne, elektrolizery, i ogniwa paliwowe. Metodologiczne podobieństwa są uwypuklone podczas traktowania limitów mocy w silnikach, separatorach, i pompach ciepła. Podejścia numeryczne do systemów wielostopniowych są oparte na metodach dynamicznego programowania (DP) lub zasady maksimum Pontriagina. Pierwsza z metod bada własności pracy optymalnej i jest ograniczona do systemów o niskiej wymiarowości wektora stanu, podczas gdy druga bada własności (kanonicznych) równań różniczkowych wyprowadzonych z Hamiltonianu procesu. W niniejszym artykule zbadano relatywnie mało znaną symetrię w zachowaniu się generatorów mocy i jednostek zużywających moc. Przybliżona ocena pokazuje że co najmniej 1/4 mocy zużytej w naturalnym procesie transferu musi być dodana do separatora lub pompy ciepła, aby zapewnić wymaganą szybkość procesu. Aplikacje włączają systemy suszenia, które z natury wymagają dużej ilości energii termicznej lub słonecznej. Badane jest minimum mocy zużytej w jedno- i wielostopniowych operacjach suszenia fluidalnego. System wielostopniowy jest wspomagany pracą pompy ciepła. Naszkicowano odpowiednią procedurą programowania dynamicznego oraz podkreślono związek między obecnym podejściem nieodwracalnym i klasycznym problemem minimalnej, odwracalnej pracy napędzającej system.
DOIDOI:10.3390/e15020650
URL http://www.mdpi.com/1099-4300/15/2/650
Languageen angielski
File
Sieniutycz S.Entropy.pdf 364.4 KB
Score (nominal)30
ScoreMinisterial score = 30.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 30.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Publication indicators WoS Impact Factor: 2013 = 1.564 (2) - 2013=1.53 (5)
Citation count*2 (2020-01-01)
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?