Study and development of evaporators for residential-scale cogeneration systems based on organic Rankine cycles

Abstract

The environmental awareness and energy sustainability concerns have reached an unprecedented level of importance that is leading to, among other things, constant improvements in the traditional methods of energy conversion. One of those improvements involves the use of micro-scale CHP (combined heat and power production) systems for residential applications since the potential in terms of primary energy savings and greenhouse gases reductions is enormous. Among the different technologies available for micro-CHP systems, Organic Rankine Cycles (ORC) seem the most suitable and promising option due to its simplicity and ability to retrofit current heating systems used in residential dwellings. Therefore, this work starts by reviewing the use of ORC for micro-CHP applications considering the intrinsic requirements of the residential sector. One of those requirements is the ability to face highly variable thermal demand loads for which a short response time is necessary. Hence, the way how manufacturers and research centres are dealing with this key requirement is analysed in depth. One of the findings is that the referred requirement is essentially dependent on the ORC-evaporator design and how the primary energy reaches the power cycle, while the remaining ORC main components (expander, pump, and condenser) play a minor role in that ability. Being the evaporator a crucial component of the ORC based micro-CHP systems attempting to retrofit the current combi-boilers, the recommended design principles for its development are discussed. From those principles, among which is the need for organic fluid direct vaporization, emerged a hybrid (topping/bottoming) CHP configuration in which the thermal energy is produced stepwise: firstly, in the ORC-condenser and then in a post-heater, that is integrated on the ORC-evaporator, directly with the combustion gases. A physical model of this configuration was developed to determine the fraction of the CHP water heating process performed in the post-heater that maximizes the primary energy savings and ORC net power output for a wide range of CHP operating conditions. When compared to a standard CHP configuration, this solution shows benefits for the greater part of those conditions. This configuration has an additional positive side effect: the decrease of the combustion gases’ temperature before they reach the organic fluid heat-exchanger section in the ORC-evaporator that, in its turn, leads to a reduction of the risk of thermal degradation. The evaluation of the risk that direct vaporization, even considering the use of this hybrid CHP configuration, strains to the organic fluid thermal degradation needs to be investigated. Limits to the fluid bulk temperatures are well known and easily controllable. Nevertheless, the relevance of the thermal boundary layer and the temperature of the heat transfer surfaces over the thermal degradation must be considered and analysed in-depth because of the significant temperature differences between the combustion gases and the organic fluid. As its experimental measure is extremely difficult to accomplish, such determination requires the development of a detailed model of the combustion and heat transfer processes that occurs in the ORC-evaporator. The development, calibration, and validation of such a model are thoroughly described and presented. This allows a detailed evaluation of several key features of the combustion and heat transfer processes as a function of some ORC operating parameters. Among those features is the temperature of the internal surface of the tubes with which the organic fluid is in contact. This temperature, which can be used to assess the risk of thermal degradation, has proved to be highly affected by the thermal resistances and by the combustion gases temperature. Therefore, to avoid that risk, and besides the adoption of solutions like the hybrid CHP configuration to reduce the combustion gases’ temperature, the operating conditions of the ORC should also be those allowing the vaporization process to start as early as possible and reducing the superheating phase to the minimum as possible. The first insight into the effect of the heat transfer surfaces’ temperature in contact with the organic fluid over its chemical integrity is also investigated. This is achieved by coupling a detailed comprehensive characterization of the system operating conditions, which comprise the determination of the heat transfer surface’ temperatures (retrieved by the evaporator model), with the realization of dynamic thermal stress tests that include the experimental evaluation of the organic fluid thermal degradation. The operating conditions defined in this work lead to heat transfer surface temperatures well above the threshold found in the literature. The absence of thermal degradation in that situation may be seen as an indication that the literature threshold should not be used to impose upper bounds to the evaporator heat transfer surface temperature and that time (and not only temperature) has a significant effect on the thermal degradation of the organic fluid in real systems. Additionally, an extensive and updated review of the most relevant works regarding thermal degradation of organic fluids is offered. From this review, a framework was developed to classify them according to the thermal stress test, the degradation evaluation method, and the determination of a limiting temperature. The output of that classification is presented together with the thermal degradation temperature value as they are related.

A consciência ambiental e as preocupações com a sustentabilidade energética atingiram uma importância sem precedentes que promove, entre outros aspetos, melhorias constantes nos métodos tradicionais de conversão de energia. Uma dessas melhorias envolve o uso de sistemas de cogeração (produção combinada de energia térmica e elétrica) em aplicações residenciais, uma vez que o potencial em termos de poupança de energia primária e diminuição das emissões de gases de efeito estufa é significativo. Entre as diferentes tecnologias disponíveis, os Ciclos Orgânicos de Rankine (ORC) destacam-se como a opção mais adequada e promissora devido à sua simplicidade e capacidade de se adequar às condições exigidas pelos sistemas residenciais. Assim sendo, este trabalho inicia-se com a avaliação do uso da tecnologia ORC em aplicações de cogeração residenciais, tendo em consideração os requisitos intrínsecos do setor. Um desses requisitos é a capacidade de enfrentar cargas térmicas altamente variáveis para as quais é necessário um tempo de resposta reduzido. Posto isto, a forma como os fabricantes e os centros de investigação estão a lidar com essa questão é analisada em detalhe. Um dos resultados dessa análise é que esse requisito é, essencialmente, dependente do projeto do evaporador e de como a energia primária chega ao ciclo de potência, sendo que os restantes componentes principais do ORC (expansor, bomba e condensador) desempenham um papel secundário nesta tarefa. Sendo o evaporador um componente crucial para os sistemas residenciais de cogeração baseados na tecnologia ORC, os requisitos de projeto recomendados para o seu desenvolvimento são analisados. Desses requisitos, entre os quais está a necessidade de realizar uma vaporização direta do fluido orgânico, surge uma configuração híbrida (topping/bottoming) na qual a energia térmica é produzida sequencialmente: primeiro no condensador e depois num pós-aquecedor, integrado no evaporador, diretamente com os gases de combustão. Foi desenvolvido um modelo exploratório dessa configuração para determinar qual a fração de água aquecida no pós-aquecedor, que maximiza a poupança de energia primária e a produção de energia elétrica para uma alargada gama de condições de funcionamento. Quando comparada com uma configuração padrão, esta solução apresenta benefícios para a generalidade dessas condições. Para além desses benefícios, esta solução apresenta um efeito colateral positivo: uma diminuição da temperatura dos gases de combustão antes que eles entrem em contacto com o permutador de calor do ciclo orgânico e, desta forma, reduzir do risco de ocorrer uma degradação térmica do fluido de trabalho. Mesmo considerando a utilização da referida configuração híbrida, a avaliação do risco que a vaporização direta coloca na degradação térmica do fluido orgânico precisa de ser investigada. Os limites para as temperaturas médias do fluido de trabalho são bem caracterizados quanto à degradação térmica do fluido de trabalho e facilmente controláveis experimentalmente. No entanto, a importância da camada limite térmica, e das temperaturas das superfícies de transferência de calor, sobre a degradação térmica deve também ser considerada e analisada em detalhe, devido às diferenças significativas de temperatura entre os gases de combustão e o fluido orgânico. Como a avaliação experimental dessas temperaturas de superfície é extremamente difícil de realizar, tal determinação exige o desenvolvimento de um modelo matemático detalhado sobre os processos de combustão e transferência de calor que ocorrem no evaporador. O desenvolvimento, as calibrações e validações do referido modelo são, cuidadosamente, descritos e apresentados. O modelo permite realizar uma avaliação detalhada de vários fatores dos processos de combustão e transferência de calor em função de alguns parâmetros operacionais. Dentro desses parâmetros encontra-se a temperatura da superfície interna dos tubos com os quais o fluido orgânico está em contato. Essa temperatura, que pode ser utilizada para avaliar o risco de degradação térmica, é altamente afetada pelas resistências térmicas e pela temperatura dos gases de combustão. Portanto, de forma a reduzir esse risco, e para além da adoção de soluções como a configuração híbrida para reduzir a temperatura dos gases de combustão, as condições de operação do sistema devem ser aquelas que permitam que o processo de vaporização inicie o mais cedo possível e que a fase de sobreaquecimento seja reduzida ao mínimo possível. O primeiro insight sobre o efeito da temperatura das superfícies de transferência de calor em contato com o fluido orgânico sobre a sua integridade química é também investigado. Isso é conseguido através da combinação de uma caracterização detalhada das condições de operação do sistema, que compreende a determinação das temperaturas da superfície de transferência de calor (calculadas através do modelo desenvolvido para o evaporador), com a realização de ensaios dinâmicos de stress térmico que incluem a avaliação experimental da degradação térmica do fluido orgânico. As condições de operação definidas neste trabalho levam a temperatura das superfícies de transferência de calor a atingirem valores bastante superiores aos limites encontrados na literatura. A ausência de degradação térmica nessa situação pode ser vista como uma indicação de que o valor limite apresentado na literatura não deve ser usado para impor barreiras à temperatura da superfície de transferência de calor do evaporador e que o tempo (e não apenas a temperatura) tem um efeito significativo na degradação térmica do fluido orgânico em sistemas reais. Para além disso, é apresentada uma revisão extensa dos trabalhos mais relevantes relativos à degradação térmica de fluidos orgânicos. A partir desta revisão, foi desenvolvida uma estrutura de classificação de acordo com o tipo de ensaios de stress térmico, com a método de avaliação e com a determinação da temperatura limite. O resultado desta classificação é apresentado juntamente com o valor da temperatura de degradação térmica, uma vez que estes estão relacionados.