Master's Dissertation - Analysis of waste heat recover in industrial processes with ORC system

Abstract

O planeta Terra aproxima-se a largos passos de um ponto sem retorno, pelo que é necessário uma resposta e ação a curto prazo para os problemas ambientais atuais e que se avizinham. A resposta começou com o acordo de Paris de 2015 que define metas a atingir por todos os estados-membros, incluindo Portugal. Como tal, foram desenvolvidas duas diretrizes nacionais o PNEC 2030 e o RNC 2050 que definem os objetivos e previsões nacionais para a década de 2020-2030 e até 2050, respetivamente.Um dos objetivos definidos passa por melhorar a eficiência energética industrial, para o qual a recuperação e reciclagem de calor residual já provou ser uma boa solução. Assim, é de particular interesse procurar conhecer as tecnologias de recuperação de calor existentes, bem como avaliar e caracterizar o potencial que a recuperação de calor residual apresenta seja para a reciclagem em processos industriais seja para a produção de energia térmica, mecânica ou elétrica. Neste trabalho será realizada a caracterização dos fluxos de calor residual com potencial de serem utilizados na EU de acordo com o tipo de indústrias e as suas temperaturas habituais. Para realizar esta caracterização serão apresentados cinco estudos distintos.O Ciclo Orgânico de Rankine apresenta-se como um dos principais e mais interessantes sistemas de produção de energia elétrica, pelo que serviu de base para o desenvolvimento de um produto modelar que recicla o calor residual e o utiliza para a produção de energia elétrica.Devido à fase embrionária de desenvolvimento deste produto e antes da sua comercialização e utilização em ambientes industriais reais faz sentido testar o mesmo perante diferentes correntes e temperaturas típicas desse meio.O segundo objetivo deste trabalho passou pelo desenvolvimento de uma banca de ensaios capaz de simular diversas condições industriais. Para o desenvolvimento da mesma começou se por dimensionar a linha de abastecimento de gás natural para o laboratório, seguida da seleção de um queimador a gás natural e dimensionamento de uma câmara de combustão e de mistura/diluição. Por fim procedeu-se ao desenvolvimento de um modelo em MATLAB de um permutador de calor compacto em contracorrente.Após o desenvolvimento do modelo do permutador de calor procedeu-se uma análise paramétrica do mesmo, e uma avaliação da evolução da potência absorvida com a variação de diversas características geométricas.Por fim realizou-se o desenvolvimento 3D do conjunto formado por queimador, câmara de combustão e mistura, ventilador centrífugo, permutador de calor e respetivas ligações.

Planet Earth is fast approaching a point of no return, so a short-term response and action is needed for current and upcoming environmental problems. The response began with the 2015 Paris Agreement that sets targets to be achieved by all member states, including Portugal. As such, two national guidelines were developed the “PNEC 2030” and the “RNC 2050” that define the national goals and forecasts for the decade 2020-2030 and up to 2050, respectively.One of the defined goals is to improve industrial energy efficiency, for which the recovery and recycling of waste heat has already proven to be a good solution. Thus, it is of particular interest to seek the existing heat recovery technologies, as well as to evaluate and characterize the potential that waste heat recovery presents either for recycling in industrial processes or to produce thermal, mechanical, or electrical energy. In this work it will be conducted the characterization of waste heat streams with potential to be used in the EU according to the type of industries and their usual temperatures. To conduct this characterization five different studies will be presented.The Organic Rankine Cycle is one of the main and most interesting systems to produce electrical energy, which is why it served as the basis for the development of a modulating product that recycles waste heat and uses it to produce electrical energy.Due to the embryonic phase of development of this product and prior to its commercialization and use in real industrial environments, it makes sense to evaluate it against different streams and temperatures typical of such environments.The second objective of this work was the development of a test stand capable of simulating various industrial conditions. For its development, the natural gas supply line for the laboratory was first dimensioned, followed by the selection of a natural gas burner and the dimensioning of its combustion and mixing/dilution chamber. Finally, a MATLAB model of a compact counter-flow heat exchanger was developed.After the development of the heat exchanger model, a parametric analysis was conducted, and an evaluation of the absorbed power evolution with the variation of several geometric characteristics. Finally, the 3D development of the set formed by burner, combustion and mixing/dilution chamber, centrifugal fan, heat exchanger and respective connections was conducted.