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

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.

Microchannel heat exchangers: An attractive option for the regenerator of a mobile orc waste heat recovery system

The performance of microchannel heat exchangers was assessed in gas-to-liquid applications in the order of several tens of kWth . The technology is suitable for exhaust heat recovery systems based on organic Rankine cycle. In order to design a light and compact microchannel heat exchanger, an optimization process is developed. The model employed in the procedure is validated through computational fluid-dynamics analysis with commercial software. It is shown that conjugate effects have a significant impact on the heat transfer performance of the device.

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.

Analysis of a novel waste heat recovery mechanism for an I.C. engine

Typical internal combustion engines lose about 75% of the fuel energy through the engine coolant, exhaust and surface radiation. Most of the heat generated comes from converting the chemical energy in the fuel to mechanical energy and in turn thermal energy is produced. In general, the thermal energy is unutilized and thus wasted. This report describes the analysis of a novel waste heat recovery (WHR) system that operates on a Rankine cycle. This novel WHR system consists of a second piston within the existing piston to reduce losses associated with compression and exhaust strokes in a four-cycle engine. The wasted thermal energy recovered from the coolant and exhaust systems generate a high temperature and high pressure working fluid which is used to power the modified piston assembly. Cycle simulation shows that a large, stationary natural gas spark ignition engine produces enough waste heat to operate the novel WHR system. With the use of this system, the stationary gas compression ignition engine running at 900 RPM and full load had a net increase of 177.03 kW (240.7 HP). This increase in power improved the brake fuel conversion efficiency by 4.53%.

Computational simulations of latent heat thermal energy storage systems - with innovative and first-principles based simulation for the underlying unsteady melting (and solidification) processes

This thesis develops an effective modeling and simulation procedure for a specific thermal energy storage system commonly used and recommended for various applications (such as an auxiliary energy storage system for solar heating based Rankine cycle power plant). This thermal energy storage system transfers heat from a hot fluid (termed as heat transfer fluid - HTF) flowing in a tube to the surrounding phase change material (PCM). Through unsteady melting or freezing process, the PCM absorbs or releases thermal energy in the form of latent heat. Both scientific and engineering information is obtained by the proposed first-principle based modeling and simulation procedure. On the scientific side, the approach accurately tracks the moving melt-front (modeled as a sharp liquid-solid interface) and provides all necessary information about the time-varying heat-flow rates, temperature profiles, stored thermal energy, etc. On the engineering side, the proposed approach is unique in its ability to accurately solve – both individually and collectively – all the conjugate unsteady heat transfer problems for each of the components of the thermal storage system. This yields critical system level information on the various time-varying effectiveness and efficiency parameters for the thermal storage system.

Development of Shape-Optimization Tools for the Aerodynamic Design of Turbomachinery Blades

The aim of this work is to develop an automated tool for the optimization of turbomachinery blades founded on an evolutionary strategy. This optimization scheme will serve to deal with supersonic blades cascades for application to Organic Rankine Cycle (ORC) turbines. The blade geometry is defined using parameterization techniques based on B-Splines curves, that allow to have a local control of the shape. The location in space of the control points of the B-Spline curve define the design variables of the optimization problem. In the present work, the performance of the blade shape is assessed by means of fully-turbulent flow simulations performed with a CFD package, in which a look-up table method is applied to ensure an accurate thermodynamic treatment. The solver is set along with the optimization tool to determine the optimal shape of the blade. As only blade-to-blade effects are of interest in this study, quasi-3D calculations are performed, and a single-objective evolutionary strategy is applied to the optimization. As a result, a non-intrusive tool, with no need for gradients definition, is developed. The computational cost is reduced by the use of surrogate models. A Gaussian interpolation scheme (Kriging model) is applied for the estimated n-dimensional function, and a surrogate-based local optimization strategy is proved to yield an accurate way for optimization. In particular, the present optimization scheme has been applied to the re-design of a supersonic stator cascade of an axial-flow turbine. In this design exercise very strong shock waves are generated in the rear blade suction side and shock-boundary layer interaction mechanisms occur. A significant efficiency improvement as a consequence of a more uniform flow at the blade outlet section of the stator is achieved. This is also expected to provide beneficial effects on the design of a subsequent downstream rotor. The method provides an improvement to gradient-based methods and an optimized blade geometry is easily achieved using the genetic algorithm.

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.

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.

Mathematical modelling and optimisation of a water heat pump

The purpose of the work described here has been to seek methods of narrowing the present gap between currently realised heat pump performance and the theoretical limit. The single most important pre-requisite to this objective is the identification and quantitative assessment of the various non-idealities and degradative phenomena responsible for the present shortfall. The use of availability analysis has been introduced as a diagnostic tool, and applied to a few very simple, highly idealised Rankine cycle optimisation problems. From this work, it has been demonstrated that the scope for improvement through optimisation is small in comparison with the extensive potential for improvement by reducing the compressor's losses. A fully instrumented heat pump was assembled and extensively tested. This furnished performance data, and led to an improved understanding of the systems behaviour. From a very simple analysis of the resulting compressor performance data, confirmation of the compressor's low efficiency was obtained. In addition, in order to obtain experimental data concerning specific details of the heat pump's operation, several novel experiments were performed. The experimental work was concluded with a set of tests which attempted to obtain definitive performance data for a small set of discrete operating conditions. These tests included an investigation of the effect of two compressor modifications. The resulting performance data was analysed by a sophisticated calculation which used that measurements to quantify each dagradative phenomenon occurring in that compressor, and so indicate where the greatest potential for improvement lies. Finally, in the light of everything that was learnt, specific technical suggestions have been made, to reduce the losses associated with both the refrigerant circuit and the compressor.

Cost and performance analysis of new wood-fuelled power plant concepts

The objective of the thesis was to analyse several process configurations for the production of electricity from biomass. Process simulation models using AspenPlus aimed at calculating the industrial performance of power plant concepts were built, tested, and used for analysis. The criteria used in analysis were performance and cost. All of the advanced systems appear to have higher efficiencies than the commercial reference, the Rankine cycle. However, advanced systems typically have a higher cost of electricity (COE) than the Rankine power plant. High efficiencies do not reduce fuel costs enough to compensate for the high capital costs of advanced concepts. The successful reduction of capital costs would appear to be the key to the introduction of the new systems. Capital costs account for a considerable, often dominant, part of the cost of electricity in these concepts. All of the systems have higher specific investment costs than the conventional industrial alternative, i.e. the Rankine power plant; Combined beat and power production (CUP) is currently the only industrial area of application in which bio-power costs can be considerably reduced to make them competitive. Based on the results of this work, AsperiPlus is an appropriate simulation platform. How-ever, the usefulness of the models could be improved if a number of unit operations were modelled in greater detail. The dryer, gasifier, fast pyrolysis, gas engine and gas turbine models could be improved.

A solar-powered reverse osmosis system for high recovery of freshwater from saline groundwater

Desalination of groundwater is essential in arid regions that are remote from both seawater and freshwater resources. Desirable features of a groundwater desalination system include a high recovery ratio, operation from a sustainable energy source such as solar, and high water output per unit of energy and land. Here we propose a new system that uses a solar-Rankine cycle to drive reverse osmosis (RO). The working fluid such as steam is expanded against a power piston that actuates a pump piston which in turn pressurises the saline water thus passing it through RO membranes. A reciprocating crank mechanism is used to equalise the forces between the two pistons. The choice of batch mode in preference to continuous flow permits maximum energy recovery and minimal concentration polarisation in the vicinity of the RO membrane. This study analyses the sizing and efficiency of the crank mechanism, quantifies energy losses in the RO separation and predicts the overall performance. For example, a system using a field of linear Fresnel collectors occupying 1000 m2 of land and raising steam at 200 °C and 15.5 bar could desalinate 350 m3/day from saline water containing 5000 ppm of sodium chloride with a recovery ratio of 0.7.

DesaLink:solar powered desalination of brackish groundwater giving high output and high recovery

Desalination of groundwater is essential in many arid areas that are far from both seawater and fresh water resources. The ideal groundwater desalination system should operate using a sustainable energy source and provide high water output per land area and cost. To avoid discharging voluminous brine, it should also provide high recovery. To achieve these aims, we have designed DesaLink, a novel approach to linking the solar Rankine cycle to reverse osmosis (RO). To achieve high recovery without the need for multiple RO stages, DesaLink adopts a batch mode of operation. It is suited to use with a variety of solar thermal collectors including linear Fresnel reflectors (LFR). For example, using a LFR occupying 1,000m of land and providing steam at 200°C and 15.5 bar, DesaLink is predicted to provide 350m of fresh water per day at a recovery ratio of 0.7, when fed with brackish groundwater containing 5,000ppm of sodium chloride. Here, we report preliminary experiments to assess the feasibility of the concept. We study the effects of longitudinal dispersion, concentration polarisation and describe a pilot experiment to demonstrate the batch process using a materials testing machine. In addition, we demonstrate a prototype of DesaLink running from compressed air to simulate steam.

Desalination of brackish water by a batch reverse osmosis desalink system for use with solar thermal energy

For remote, semi-arid areas, brackish groundwater (BW) desalination powered by solar energy may serve as the most technically and economically viable means to alleviate the water stresses. For such systems, high recovery ratio is desired because of the technical and economical difficulties of concentrate management. It has been demonstrated that the current, conventional solar reverse osmosis (RO) desalination can be improved by 40–200 times by eliminating unnecessary energy losses. In this work, a batch-RO system that can be powered by a thermal Rankine cycle has been developed. By directly recycling high pressure concentrates and by using a linkage connection to provide increasing feed pressures, the batch-RO has been shown to achieve a 70% saving in energy consumption compared to a continuous single-stage RO system. Theoretical investigations on the mass transfer phenomena, including dispersion and concentration polarization, have been carried out to complement and to guide experimental efforts. The performance evaluation of the batch-RO system, named DesaLink, has been based on extensive experimental tests performed upon it. Operating DesaLink using compressed air as power supply under laboratory conditions, a freshwater production of approximately 300 litres per day was recorded with a concentration of around 350 ppm, whilst the feed water had a concentration range of 2500–4500 ppm; the corresponding linkage efficiency was around 40%. In the computational aspect, simulation models have been developed and validated for each of the subsystems of DesaLink, upon which an integrated model has been realised for the whole system. The models, both the subsystem ones and the integrated one, have been demonstrated to predict accurately the system performance under specific operational conditions. A simulation case study has been performed using the developed model. Simulation results indicate that the system can be expected to achieve a water production of 200 m3 per year by using a widely available evacuated tube solar collector having an area of only 2 m2. This freshwater production would satisfy the drinking water needs of 163 habitants in the Rajasthan region, the area for which the case study was performed.

Self-powered desalination of geothermal saline groundwater:technical feasibility

This theoretical study shows the technical feasibility of self-powered geothermal desalination of groundwater sources at <100 °C. A general method and framework are developed and then applied to specific case studies. First, the analysis considers an ideal limit to performance based on exergy analysis using generalised idealised assumptions. This thermodynamic limit applies to any type of process technology. Then, the analysis focuses specifically on the Organic Rankine Cycle (ORC) driving Reverse Osmosis (RO), as these are among the most mature and efficient applicable technologies. Important dimensionless parameters are calculated for the ideal case of the self-powered arrangement and semi-ideal case where only essential losses dependent on the RO system configuration are considered. These parameters are used to compare the performance of desalination systems using ORC-RO under ideal, semi-ideal and real assumptions for four case studies relating to geothermal sources located in India, Saudi Arabia, Tunisia and Turkey. The overall system recovery ratio (the key performance measure for the self-powered process) depends strongly on the geothermal source temperature. It can be as high as 91.5% for a hot spring emerging at 96 °C with a salinity of 1830 mg/kg.