Investigación

Finite–time thermoeconomic optimization of a non endoreversible heat engine model

M.A. Barranco–Jiménez

Departamento de Ciencias Básicas, Escuela Superior de Cómputo del IPN, Av. Juan de Dios Batiz s/n. Esq. Miguel Otón de Mendizábal, Col. Lindavista. México D.F., 07738, México, e–mail: mbarrancoj@ipn.mx

Recibido el 17 de febrero de 2009
Aceptado el 25 de mayo de 2009

Abstract

Within the context of Finite–Time Thermodynamics (FTT), we study the thermoeconomics of a simplified non–endoreversible thermal power plant model (the so–called Novikov engine). In our study, we use different heat transfer laws: the so called Newton's law of cooling, the Stefan–Boltzmann radiation law, the Dulong–Petit's law and another phenomenological heat transfer law. We use two FTT optimization criteria: the maximum power regime (MP) and the so–named modified ecological criterion for performance analysis. This last criterion leads the engine model towards a mode of performance that appreciably diminishes the engine's wasted energy. It is shown that under ecological conditions the plant dramatically reduces the amount of heat rejected to the environment, and a loss of profit is translated into a better usage of fuel such that the heat rejected towards the environment is remarkably reduced compared to that of a maximum power regime. Besides, we analyze the effect on the reduction of power output and the optimal efficiencies in terms of an internal irreversibility parameter that comes from the Clausius inequality which characterizes the degree of internal irreversibility.

Keywords: Thermoeconomics; endoreversible cycles; optimization.

Resumen

Dentro del contexto de la Termodinámica de Tiempos Finitos (TTF) estudiamos la termoeconomia de un modelo simplificado no endor–reversible de planta de potencia. (modelo de Novikov). En nuestro estudio, usamos diferentes leyes de transferencia de calor: Ley de enfriamiento de Newton, ley de radiación de Stefan–Boltzmann, ley de Dulong–Petit y una ley fenómenológica de transferencia de calor. Usamos dos criterios de optimizacion: régimen de operación de Máxima Potencia y el así llamado criterio de operación de máxima Función Ecológica modificada. Este último criterio proporciona un modo de operación que apreciablemente disminuye la energía disipada por la maquina térmica. En este trabajo mostramos bajo condiciones de operación de máxima Función Ecológica que la pérdida en beneficios se ve compensada por un mejor uso en el combustible de modo que la planta de potencia reduce dramaticamente la cantidad de energía disipada al medio ambiente con respecto a la cantidad de energía bajo un regimen de operación de Máxima Potencia. También analizamos el efecto sobre la potencia de salida y la eficiencia del modelo de planta de potencia en términos de un parámetro de irreversibilidad interna que proviene de la desigualdad de Clausius, el cual caracteriza el grado de irreversibilidad interna.

Descriptores: Termo–economía; ciclos térmicos endorreversibles; optimización.

PACS: 44.60.+K; 44.90.+C

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Acknowledgements

The author wishes to thank Professor F. Angulo–Brown for many useful discussions, Dr. R. Hernández–Pérez for manuscript revision and also wishes to thank the anonymous referee for critical comments on the manuscript. This work was supported in part by CONACYT, COFAA and EDI–IPN–México.

A Optimal efficiencies under both maximum power and maximum ecological conditions: Newton and Dulong–Petit cases.

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