Progettazione di un impianto orc per il recupero energetico da fumi

Il crescente fabbisogno energetico mondiale, dovuto essenzialmente al rapido incremento di popolazione originatosi nel secolo scorso, unitamente alla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica, porta a ricercare continuamente nuove fonti primarie di energia nonché metodi innovativi per il recupero di quest’ultima da materiali di scarto. I Cicli Rankine a fluido Organico (Organic Rankine Cycle) rappresentano in questo senso una tecnologia emergente capace di rivoluzionare il concetto di risparmio energetico. In questa tesi viene effettuato uno studio dettagliato della tecnologia ORC, che mira ad identificarne i principali vantaggi e le maggiori problematiche, con particolare riferimento ad un caso di studio concreto, riguardante l’installazione di un impianto di recupero energetico da fumi di combustione all’interno di uno stabilimento di produzione di nero di carbonio. Il cuore della tesi è rappresentato dall’individuazione e dall’analisi dettagliata delle alternative impiantistiche con cui il recupero energetico può essere realizzato. Per ognuna di esse, dopo una breve spiegazione, viene effettuato il calcolo dell’energia elettrica prodotta annualmente con l’ausilio un simulatore di processo. Successivamente vengono esposte le proposte ricevute dai fornitori interpellati per la fase di progettazione di base dell’impianto di recupero energetico. Nell’ultima parte della tesi viene presentata la simulazione fluidodinamica del camino di una delle linee di produzione dell’impianto di Ravenna, effettuata utilizzando un codice CFD e mirata alla verifica dell’effettiva quantità di calore recuperato dai fumi e dell’eventuale presenza di condense lungo la ciminiera. I risultati ottenuti mostrano che la tecnologia ORC, utilizzata per il recupero energetico in ambito industriale, possiede delle grosse potenzialità. La massimizzazione dei vantaggi derivanti dall’utilizzo di questi sistemi è tuttavia fortemente condizionata dalla capacità di gestire al meglio l’integrazione degli impianti di recupero all’interno dei processi produttivi esistenti.

Low-temperature isothermal Rankine cycle for desalination

In brackish groundwater desalination, high recovery ratio (of fresh water from saline feed) is desired to minimise concentrate reject. To this effect, previous studies have developed a batch reverse osmosis (RO) desalination system, DesaLink, which proposed to expand steam in a reciprocating piston cylinder and transmit the driving force through a linkage crank mechanism to pressurise batches of saline water (recirculating) in a water piston cylinder unto RO membranes. However, steam is largely disadvantaged at operation from low temperature (< 150oC) thermal sources; and organic working fluids are more viable, though, the obtainable thermal cycle efficiencies are generally low with low temperatures. Consequently, this thesis proposed to investigate the use of organic working fluid Rankine cycle (ORC) with isothermal expansion, to drive the DesaLink machine, at improved thermal efficiency from low temperature thermal sources. Following a review of the methods of achieving isothermal expansion, ‘liquid flooded expansion’ and ‘expansion chamber surface heating’ were identified as potential alternative methods. Preliminary experimental comparative analysis of variants of the heated expansion chamber technique of effecting isothermal expansion favoured a heated plain wall technique, and as such was adopted for further optimisation and development. Further, an optimised isothermal ORC engine was built and tested at < 95oC heat source temperature, with R245fa working fluid – which was selected from 16 working fluids that were analysed for isothermal operation. Upon satisfactory performance of the test engine, a larger (10 times) version was built and coupled to drive the DesaLink system. Operating the integrated ORC-RO DesaLink system, gave freshwater (approximately 500 ppm) production of about 12 litres per hour (from 4000 ppm feed water) at a recovery ratio of about 0.7 and specific energy consumption of 0.34 kWh/m3; and at a thermal efficiency of 7.7%. Theoretical models characterising the operation and performance of the integrated system was developed and utilised to access the potential field performance of the system, when powered by two different thermal energy sources – solar and industrial bakery waste heat – as case studies.

Aplicação de um ciclo orgânico de Rankine à indústria Naval

Trabalho Final de Mestrado para obtenção de grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Redução de consumo de energia eletrica a partir de reaproveitamento de energia termica com uso de ciclo rankine orgânico

This paper is proposed the usage of an Organic Rankine Cycle (ORC) along with waste heat recovery from an inconstant heat source. This method of waste heat recovery with intermittent heat source is part of a technical viability study. This paper also brings up the usage of thermal energy storage as heat source for the ORC. This paper is based on a heat treatment company study in which a natural gas furnace is explored. Data such as mass flow, temperature and specific waste gas heat from this furnace are used through calculations. Calculations are made also based on furnace cycles. This viability study considers a series of working fluids such as ammonia, benzene, R113 and R134a. Results point out that ORC with out thermal storage and using refrigerant fluid ammonia is the best alternative

Valutazione di impatto ambientale di un gruppo elettrogeno mediante Life Cycle Assessment: il caso COGEM.

Il presente lavoro ha come oggetto l’analisi di impatto ambientale, svolta mediante la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) di un gruppo elettrogeno prodotto da COGEM s.r.l., azienda italiana situata a Castel d’Argile, nel bolognese, con l’obiettivo di supportare eventuali scelte di riprogettazione del prodotto anche in termini di Design for Disassembly. Dopo una prima analisi del contesto attuale in cui si colloca, la metodologia LCA è stata studiata nel dettaglio per poterla poi applicare al prodotto in oggetto. Esso è stato individuato mediante un’analisi delle vendite di COGEM, in seguito si è svolta una fase di raccolta dati e si sviluppata l’analisi LCA usando il software SimaPro 7.1. I risultati ottenuti hanno consentito di individuare le possibili aree di miglioramento dell’impatto ambientale dell’intero ciclo di vita del gruppo elettrogeno. In particolare si sono valutate due soluzioni innovative: un gruppo elettrogeno alimentato a olio vegetale e uno progettato in ottica DFD per consentire un corretto smaltimento dei rifiuti.

Impatto ambientale di sistemi di riscaldamento domestico a biomasse: applicazione della metodologia LCA (Life Cycle Assessment)

Le biomasse hanno sempre rappresentato per l’umanità una fonte estremamente versatile e rinnovabile di risorse e tutt’oggi il loro impiego risulta vantaggioso in particolare per produrre energia termica ed elettrica attraverso processi di combustione, sistemi che tuttavia emettono sostanze dannose verso la salute umana e l’ecosistema. Queste pressioni ambientali hanno indotto alcune amministrazioni regionali (fra cui la Lombardia) a bandire temporaneamente l’installazione di nuovi impianti a biomasse, per prevenire e contenere le emissioni in atmosfera a tutela della salute e dell’ambiente. Il presente studio intende approfondire l’effetto ambientale di tali sistemi di riscaldamento domestico attraverso la tecnologia di analisi LCA (Life Cycle Assessment). Lo scopo dell’elaborato di Tesi consiste nell’eseguire un’analisi dell’intero ciclo di vita di due processi di riscaldamento domestico che utilizzino biomassa legnosa: una stufa innovativa a legna e una stufa a pellet. L’analisi ha quindi posto a confronto i due scenari con mezzi di riscaldamento domestico alternativi quali il boiler a gas, il pannello solare termico integrato con caldaia a gas e la pompa di calore elettrica. È emerso che tra i due scenari a biomassa quello a legna risulti decisamente più impattante verso le categorie salute umana e qualità dell’ecosistema , mentre per il pellet si è riscontrato un impatto maggiore del precedente nella categoria consumo di risorse. Dall’analisi di contributo è emerso che l’impatto percentuale maggiore per entrambi gli scenari sia legato allo smaltimento delle ceneri, pertanto si è ipotizzata una soluzione alternativa in cui esse vengano smaltite nell’inceneritore, riducendo così gli impatti. I risultati del punteggio singolo mostrano come lo scenario di riscaldamento a legna produca un quantitativo di particolato superiore rispetto al processo di riscaldamento a pellet, chiaramente dovuto alle caratteristiche chimico-fisiche dei combustibili ed alla efficienza di combustione. Dal confronto con gli scenari di riscaldamento alternativi è emerso che il sistema più impattante per le categorie salute umana e qualità dell’ecosistema rimane quello a legna, seguito dal pellet. I processi alternativi presentano impatti maggiori alla voce consumo di risorse. Per avvalorare i risultati ottenuti per i due metodi a biomassa è stata eseguita un’analisi di incertezza attraverso il metodo Monte Carlo, ad un livello di confidenza del 95%. In conclusione si può affermare che i sistemi di riscaldamento domestico che impiegano processi di combustione della biomassa legnosa sono certamente assai vantaggiosi, poiché pareggiano il quantitativo di CO2 emessa con quella assorbita durante il ciclo di vita, ma al tempo stesso possono causare maggiori danni alla salute umana e all’ecosistema rispetto a quelli tradizionali.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.

Aplicación del ciclo orgánico de Rankine para el aprovechamiento de calor residual en una refinería

Este proyecto tiene por objeto el aprovechamiento de calor residual de corrientes de refinería, con bajo nivel térmico y su transformación en energía eléctrica, mediante el ciclo orgánico de Rankine (ORC). Este proceso es similar al ciclo básico de Rankine pero en vez de agua utiliza un fluido orgánico de elevado peso molecular. Este tipo de ciclos se puede utilizar para recuperar calor de fuentes de baja temperatura. Este calor se convierte en trabajo útil que se transforma en electricidad. El principio de trabajo del ciclo orgánico de Rankine es un fluido de trabajo en fase líquida que se bombea a una caldera, donde se evapora y tras pasar a través de una turbina, se condensa de nuevo para iniciar el ciclo. Para la elección de las tecnologías ORC se realizó un estudio de las disponibles en el mercado y se llevó a cabo un análisis de las corrientes con calor residual disponibles en la refinería. Seleccionadas las tecnologías, se realizó un análisis de viabilidad del uso de ciclos ORC para el aprovechamiento de la energía residual en la refinería. Los resultados confirmaron que la aplicación de estos ciclos ORC es rentable, desde el punto de vista económico, técnico y medioambiental. ABSTRACT The objective of the project is the utilization of waste heat from low thermal refinery streams and its subsequent transformation into electrical energy through the application of Organic Rankine Cycle (ORC). This process is similar to Rankine’s basic cycle but instead of water it uses a heavier molecular organic fluid. This type of cycles can be put into use to recover heat from low temperature sources. The heat transforms into useful energy that is converted into electricity. The working principle of the Organic Rankine Cycle is an active fluid in liquid phase which is pumped into a boiler where it evaporates and, after passing through a turbine, it condenses once more restarting the whole cycle over again. Before choosing the ORC technologies, a study was conducted on those products available in the market and an analysis of the waste streams in the refinery was also carried out. Having chosen the technologies, a feasibility study was performed on the use of ORC cycles for the re-utilization of waste energy in the refinery. The results confirmed that the use of ORC cycles is profitable, making it attractive from an economical, technical and environmental point of view.

Candidate radial-inflow turbines and high-density working fluids for geothermal power systems

Optimisation of Organic Rankine Cycle (ORCs) for binary-cycle geothermal applications could play a major role in determining the competitiveness of low to moderate temperature geothermal resources. Part of this optimisation process is matching cycles to a given resource such that power output can be maximised. Two major and largely interrelated components of the cycle are the working fluid and the turbine. Both components need careful consideration: the selection of working fluid and appropriate operating conditions as well as optimisation of the turbine design for those conditions will determine the amount of power that can be extracted from a resource. In this paper, we present the rationale for the use of radial-inflow turbines for ORC applications and the preliminary design of several radial-inflow machines based on a number of promising ORC systems that use five different working fluids: R134a, R143a, R236fa, R245fa and n-Pentane. Preliminary meanline analysis lead to the generation of turbine designs for the various cycles with similar efficiencies (77%) but large differences in dimensions (139–289 mm rotor diameter). The highest performing cycle, based on R134a, was found to produce 33% more net power from a 150 °C resource flowing at 10 kg/s than the lowest performing cycle, based on n-Pentane.

Evaluation of isopentane, R-245fa and their mixtures as working fluids for organic Rankine cycles

Low grade thermal energy from sources such as solar, geothermal and industrial waste heat in the temperature range of 380-425 K can be converted to electrical energy with reasonable efficiency using isopentane and R-245fa. While the former is flammable and the latter has considerable global warming potential, their mixture in 0.7/0.3 mole fraction is shown to obviate these disadvantages and yet retain dominant merits of each fluid. A realistic thermodynamic analysis is carried out wherein the possible sources of irreversibilities such as isentropic efficiencies of the expander and the pump and entropy generation in the regenerator, boiler and condenser are accounted for. The performance of the system in the chosen range of heat source temperatures is evaluated. A technique of identifying the required source temperature for a given output of the plant and the maximum operating temperature of the working fluid is developed. This is based on the pinch point occurrence in the boiler and entropy generation in the boiling and superheating regions of the boiler. It is shown that cycle efficiencies of 10-13% can be obtained in the range investigated at an optimal expansion ratio of 7-10. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

GROUND COOLING SYSTEM FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF LOW TEMPERATURE POWER GENERATION

This paper presents an analysis of an organic Rankine cycle (ORC) with dry cooling system aided by an earth-coupled passive cooling system. Several organic fluids were considered as working fluids in the ORC in the temperature range of 125-200 degrees C. An earth-air-heat-exchanger (EMU) is studied for a location in the United States (Las Vegas) and another in India (New Delhi), to pre cool the ambient air before entering an air-cooled condenser (ACC). It was observed that the efficiency of the system improved by 1-3% for the system located in Las Vegas and fluctuations associated with temperature variations of the ambient air were also reduced when the EAHE system was used. A ground-coupled heat pump (GCHP) is also studied for these locations where cooling water is pre cooled in an underground buried pipe before entering a condenser heat exchanger in a closed loop. The area of the buried pipe and the condenser size are calculated per kW of power generation for various working fluids.

Mathematical Modelling of a Reciprocating Piston Expander

Modern internal combustion (IC) engines reject around two thirds of the energy provided by the fuel as low-grade waste heat. Capturing a portion of this waste heat energy and transforming it into a more useful form of energy could result in a significant reduction in fuel consumption. By using the low-grade heat, an organic Rankine cycle (ORC) can produce mechanical work from a pressurised organic fluid with the use of an expander.
Ideal gas assumptions are shown to produce significant errors in expander performance predictions when using an organic fluid. This paper details the mathematical modelling technique used to accurately model the thermodynamic processes for both ideal and non-ideal fluids within the reciprocating expander. A comparison between the two methods illustrates the extent of the errors when modelling a reciprocating piston expander. Use of the ideal gas assumptions are shown to produce an error of 55% in the prediction of power produced by the expander when operating on refrigerant R134a.

Automotive waste heat recovery: Working fluid selection and related boundary conditions

This paper presents the rational for the selection of fluids for use in a model based study of sub and supercritical Waste Heat Recovery (WHR) Organic Rankine Cycle (ORC). The study focuses on multiple vehicle heat sources and the potential of WHR ORC’s for its conversion into useful work. The work presented on fluid selection is generally applicable to any waste heat recovery system, either stationary or mobile and, with careful consideration, is also applicable to single heat sources. The fluid selection process presented reduces the number of potential fluids from over one hundred to a group of under twenty fluids for further refinement in a model based WHR ORC performance study. The selection process uses engineering judgement, legislation and, where applicable, health and safety as fluid selection or de-selection criteria. This paper also investigates and discusses the properties of specific ORC fluids with regard to their impact on the theoretical potential for delivering efficient WHR ORC work output. The paper concludes by looking at potential temperature and pressure WHR ORC limits with regard to fluid properties thereby assisting with the generation of WHR ORC simulation boundary conditions.