Characterization and Modelling of a Burner-Heat Exchanger Assembly to be used as an Evaporator in Low Power Organic Rankine Cycles

Abstract

Em tempos recentes, tem-se vindo a concluir que a Microcogeração é uma alternativa interessante aos processos tradicionais de conversão de energia devido ao seu potencial em termos de poupanças energéticas bem como de redução de emissões poluentes. Tal é particularmente relevante na atualidade, em que se tem vindo a verificar acrescidas preocupações a nível ambiental. Acredita-se que os Ciclos Orgânicos de Rankine (ORCs) possam vir a desempenhar um papel fundamental neste campo devido à sua vasta gama de aplicações, tais como a possibilidade de satisfazer necessidades térmicas a nível residencial com o benefício acrescido de produzirem energia elétrica no processo.O objetivo do trabalho apresentado nesta dissertação é a construção de um modelo matemático capaz de simular o comportamento de um conjunto Queimador-Permutador de Calor para ser integrado num ORC como evaporador direto.O modelo tem por objetivo simular uma série de fenómenos de combustão e transferência de calor entre os gases de escape e os dois fluidos utilizados: o fluido orgânico/de trabalho (WF) e água líquida cujo objetivo consiste em proteger o WF de altas temperaturas (e eventual degradação térmica) resolvendo, deste modo, o maior problema tipicamente associado à vaporização direta. Na fase final o modelo foi comparado com dados experimentais de modo a efetuar a sua validação. O primeiro passo envolveu a comparação dos resultados do modelo com os obtidos numa série de testes preliminares nos quais água foi utilizada em vez de um fluido orgânico. Sem qualquer fator de calibração, os valores da potência térmica transferida no evaporador apenas se desviaram dos testes em pouco mais de 5%. Após completados os testes finais e os resultados novamente comparados, concluiu-se que o modelo é capaz de descrever o comportamento global destes componentes, ainda que com menor precisão (erros até 10%, sem fatores de calibração). Esta discrepância deveu-se a uma série de fatores tais como simplificações no modelo, erros de medição, etc.Independentemente das referidas imprecisões, o modelo construído fornece conhecimentos importantes acerca do funcionamento destes componentes bem como de alguns aspetos particulares que não são fáceis de avaliar apenas com ensaios experimentais.

Micro-CHP has been proving itself as an interesting alternative to traditional energy conversion processes due to its potentials in terms of energy savings and reduction in emissions. This is especially relevant in modern times, when there has been an ever-growing concern about environmental protection. Organic Rankine Cycles (ORCs) are believed to play a large roll in this field due to their vast range of applications, including the possibility of satisfying thermal demands on a domestic level with the added benefit of producing electrical energy in the process. The goal of the work presented in this dissertation is the construction of a mathematical model capable of simulating the behavior of a Burner and Heat Exchanger assembly to be integrated in an ORC as a direct evaporator. The model intends to simulate the combustion and heat transfer phenomena between the flue gases and the two fluids used: the working/organic fluid (WF) and liquid water whose intention is to protect the WF from high temperatures (and eventual thermal degradation), thus solving the main problem associated with direct evaporation. In a final stage the model was compared to experimental data in order to perform its validation. The first step involved the comparison of the model’s results to those obtained in a series of preliminary tests where water was used instead of an organic fluid. Without any calibration factor, the overall results concerning the heat transfer in the evaporator only deviated from the tests by little over 5%. After performing the final tests and comparing outputs, it was concluded that the model is capable of describing the overall behavior of these components even if with smaller accuracy (errors up to 10% with no calibration factor). This discrepancy was due to a series of factors such as simplifications in the model, measurement inaccuracies and a few different phenomena which were not accounted for. Regardless of said inaccuracies, the elaborated model provides useful insight into the way these components behave as well as some particular aspects which are not easily evaluated from experimental tests alone.