Review of Rankine Cycle Systems Components for Hybrid Engines Waste Heat Recovery

In any internal combustion engine, the amount of heat rejected from the engine, and associated systems, is a result of the engine inefficiency. Successfully recovering a small proportion of this energy would therefore substantially improve the fuel economy.

A new combined joules supercritical rankine cycle exergetic analysis and optimization

The application of a supercritical Rankine cycle in combined cycles does not happen in today’s thermoelectric power stations. Nevertheless, the most recent development in gas turbines, that allows a high efficiency and high exhaust gases temperatures, and the improvement of high pressure and temperature alloys, makes this cycle possible. This study’s intent is to prove the viability of this combined cycle, since it can break the 60% efficiency barrier, which is the plafond in actual power stations. To attain this target, several configurations for this cycle have been simulated, optimized and analyzed [1]. The simulations were done with the computational program IPSEpro [2] and the optimizations were effectuated with software developed for the effect, using the DFP method [3]. In parallel with the optimization that claims the cycle’s efficiency maximization, an exergetic analysis was also made [4] to all the cycle components. In opposite to what happens in subcritical combined cycles, it was demonstrated that in supercritical combined cycles the higher efficiency takes place with a single steam pressure in the heat recovery steam generator (HRSG).

Aplicação do ciclo rankine orgânico alimentado termicamente pela queima da casca do arroz e resíduos de madeira

With the growing world energy demand mainly from developing countries like Brazil, Russia, India and China, the search for efficient sources of energy becomes a challenge for the coming years. Among the most widely used alternative sources, biomass is the one that grows in a more pronounced way. This study will assess the real possibility of having it as a heat source in an Organic Rankine Cycle, which employ heat transfer fluids as working fluids instead of water. From a regional data collection in agricultural production and their potential rice production and the resulting husk was defined as more appropriate. The availability of husks together with an amount of eucalyptus wood, provided by a company in the region on a monthly basis, were analyzed, and the low participation of the wood was discarded by the thermal contribution of little significance. Based on this, it was established the calorific value of fuel for thermodynamic calculations and the cycle to be used. It was then carried out the choice of working fluid from the literature and their availability in the library of software used for the simulations, the Engineering Equation Solver - ESS. The fluid most appropriate for the burning of biomass, Octamethyltrisiloxane (OMTS), was not included in the software and so the R227ea and R134a were selected. After the initial parameters modeling definition, as condensing temperature, efficiency and live steam conditions, the simulations were performed, and only the R227ea remained within the feasible thermodynamic and technological ranges. With this fluid the turbine power output was 265.7 [kW] for a scenario of 24 hours/day burning, 800.3 [kW] to biomass burning for 8 hours/day and 2134 [kW] for burning only 3 hours/day. The thermal efficiency of the cycle remained in the range of 6%, and for plants operating with the most... (Complete Abstract click eletronic access below)

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.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Alternative Energy at a Steel Mill

More than ever alternative energy solutions are being discussed including potential legislative action. With the use of fossil fuels being the most abundant and most controversial sources of energy, new solutions must be found. This paper looks at the economic and technical feasibility of different types of alternative energy and cogeneration applications within a steel mill. This paper examines alternative energy systems. The systems examined include Solar systems, thermal electric materials, and an Organic Rankine Cycle cogeneration project. None of the projects has limiting technical feasibility issues however each of the projects face economically limiting factors. Taking into account tangible and non-tangible factors the solar system and Organic Rankine Cycle cogeneration project are recommended for further study and potential installation.

Numerical Analysis on a Dual-Loop Waste Heat Recovery System Coupled with an ORC for Vehicle Applications

The internal combustion (IC) engines exploits only about 30% of the chemical energy ejected through combustion, whereas the remaining part is rejected by means of cooling system and exhausted gas. Nowadays, a major global concern is finding sustainable solutions for better fuel economy which in turn results in a decrease of carbon dioxide (CO2) emissions. The Waste Heat Recovery (WHR) is one of the most promising techniques to increase the overall efficiency of a vehicle system, allowing the recovery of the heat rejected by the exhaust and cooling systems. In this context, Organic Rankine Cycles (ORCs) are widely recognized as a potential technology to exploit the heat rejected by engines to produce electricity. The aim of the present paper is to investigate a WHR system, designed to collect both coolant and exhausted gas heats, coupled with an ORC cycle for vehicle applications. In particular, a coolant heat exchanger (CLT) allows the heat exchange between the water coolant and the ORC working fluid, whereas the exhausted gas heat is recovered by using a secondary circuit with diathermic oil. By using an in-house numerical model, a wide range of working conditions and ORC design parameters are investigated. In particular, the analyses are focused on the regenerator location inside the ORC circuits. Five organic fluids, working in both subcritical and supercritical conditions, have been selected in order to detect the most suitable configuration in terms of energy and exergy efficiencies.

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

Optimisation of Organic Rankine Cycles (ORCs) for binary-cycle geothermal applications could play a major role in 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. Due to the temperature differences in geothermal resources a one-size-fits-all approach to surface power infrastructure is not appropriate. Furthermore, the traditional use of steam as a working fluid does not seem practical due to the low temperatures of many resources. A variety of organic fluids with low boiling points may be utilised as ORC working fluids in binary power cycle loops. Due to differences in thermodynamic properties, certain fluids are able to extract more heat from a given resource than others over certain temperature and pressure ranges. This enables the tailoring of power cycle infrastructure to best match the geothermal resource through careful selection of the working fluid and turbine design optimisation to yield the optimum overall cycle performance. This paper presents the rationale for the use of radial-inflow turbines for ORC applications and the preliminary design of several radial-inflow turbines based on a selection of promising ORC cycles using five different high-density working fluids: R134a, R143a, R236fa, R245fa and n-Pentane at sub- or trans-critical conditions. Numerous studies published compare a variety of working fluids for various ORC configurations. However, there is little information specifically pertaining to the design and implementation of ORCs using realistic radial turbine designs in terms of pressure ratios, inlet pressure, rotor size and rotational speed. Preliminary 1D analysis leads 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 (R134a) was found to produce 33% more net power from a 150°C resource flowing at 10 kg/s than the lowest performing cycle (n-Pentane).

Optimisation methods for coupled thermodynamic and 1D design of radial-inflow turbines

Optimisation is a fundamental step in the turbine design process, especially in the development of non-classical designs of radial-inflow turbines working with high-density fluids in low-temperature Organic Rankine Cycles (ORCs). The present work discusses the simultaneous optimisation of the thermodynamic cycle and the one-dimensional design of radial-inflow turbines. In particular, the work describes the integration between a 1D meanline preliminary design code adapted to real gases and the performance estimation approach for radial-inflow turbines in an established ORC cycle analysis procedure. The optimisation approach is split in two distinct loops; the inner operates on the 1D design based on the parameters received from the outer loop, which optimises the thermodynamic cycle. The method uses parameters including brine flow rate, temperature and working fluid, shifting assumptions such as head and flow coefficients into the optimisation routine. The discussed design and optimisation method is then validated against published benchmark cases. Finally, using the same conditions, the coupled optimisation procedure is extended to the preliminary design of a radial-inflow turbine with R143a as working fluid in realistic geothermal conditions and compared against results from commercially-available software RITAL from Concepts-NREC.

3D CFD simulations of a candidate R143a radial-inflow turbine for geothermal power applications

Optimisation of Organic Rankine Cycles (ORCs) for binary cycle applications could play a major role in determining the competitiveness of low to moderate renewable sources. An important aspect of the optimisation is to maximise the turbine output power for a given resource. This requires careful attention to the turbine design notably through numerical simulations. Challenges in the numerical modelling of radial-inflow turbines using high-density working fluids still need to be addressed in order to improve the turbine design and better optimise ORCs. This paper presents preliminary 3D numerical simulations of a radial-inflow turbine working with high-density fluids in realistic geothermal ORCs. Following extensive investigation of the operating conditions and thermodynamic cycle analysis, the refrigerant R143a is chosen as the high-density working fluid. The 1D design of the candidate radial-inflow turbine is presented in details. Furthermore, commercially-available software Ansys-CFX is used to perform the 3D CFD simulations for a number of operating conditions including off-design conditions. The real-gas properties are obtained using the Peng-Robinson equations of state. The preliminary design created using dedicated radial-inflow turbine software Concepts-Rital is discussed and the 3D CFD results are presented and compared against the meanline analysis.

Ciclo de cogeração a partir de resíduos de poda de árvores na cidade de Guaratinguetá

The current socio-economic situation has brought a need to look for alternative ways to get energy that allow reducing the high dependence on fossil fuel sources while deflect from the climate change arising from the result of the use of these energy resources. Renewable sources of energy, low and medium temperature appear as high potential of energy resources, which have a major influence on the way of life of the people to enable decentralized energy production. In Brazil, in particular, have also the need to decentralize the energy grid, currently focused on energy from water source. The current water crisis, exemplifies the urgency of betting on other energy sources, as a way to help in emergency situations such as the current one. Therefore, this study evaluates the possibility of using biomass as a heat source in a Rankine Cycle Organic where instead of water; it uses thermal fluid as working fluid, was compared the urban areas of the city of Guaratinguetá with the urban area of the metropolitan region of São Paulo. Thus, it was established two scenarios, so it was possible to establish the cycle to be used

Ciclo de cogeração a partir de resíduos de poda de árvores na cidade de Guaratinguetá

The current socio-economic situation has brought a need to look for alternative ways to get energy that allow reducing the high dependence on fossil fuel sources while deflect from the climate change arising from the result of the use of these energy resources. Renewable sources of energy, low and medium temperature appear as high potential of energy resources, which have a major influence on the way of life of the people to enable decentralized energy production. In Brazil, in particular, have also the need to decentralize the energy grid, currently focused on energy from water source. The current water crisis, exemplifies the urgency of betting on other energy sources, as a way to help in emergency situations such as the current one. Therefore, this study evaluates the possibility of using biomass as a heat source in a Rankine Cycle Organic where instead of water; it uses thermal fluid as working fluid, was compared the urban areas of the city of Guaratinguetá with the urban area of the metropolitan region of São Paulo. Thus, it was established two scenarios, so it was possible to establish the cycle to be used