Design, modelling and control of a waste heat recovery unit for heavy duty trucks

Recent regulations about efficiency and CO2 emissions of energy production systems, together with unpredictable fluctuations in fuel prices, have created a renewed interest in middle and low temperature waste heat recovery technologies. There are many possible applications which cover a wide range of power, from few kW to some MW, depending on the primary thermal source of the system. The most suitable technology for this purpose is the Organic Rankine Cycle (ORC) technology, whose potentialities have been already demonstrated: the degree of freedom concerning the working fluid selection let this technology satisfy both environmental and feasibility issues, and recover heat from extremely low temperature sources, if compared with conventional plants. The aim of the work is the study of the dynamic behaviour of a combined cycle composed by an heavy duty Internal Combustion Engine (ICE) as topping cycle and an Organic Rankine Cycle as bottoming cycle, in order to develop an appropriate control strategy. In fact, the ORC operating point is often far from design condition, due to the extremely variable engine load: the need for a dynamic simulation tool comes from the necessity of designing a fast response control system, to check the reliability of the design of the WHR unit and to identify bottlenecks during transient operation. The first part of the work consists of the design of the whole ICE-ORC system, in all its components: internal combustion engine, heat exchangers (evaporator, condenser..), tank, pump and turbine. About the latter component, an off-design 0D code has been developed, in order to predict the off-design performance of small turbo generators. The whole model has been implemented with the modelling language Modelica, and simulated with commercial code Dymola. In the second part the control objectives and strategies are defined. The aim is to evaluate the main dynamic characteristics of the whole combined cycle. Moreover, the complete Modelica model has been used to find the optimal set point of the controlled variables: it is worth to remind that without this tool the control optimization process is not trivial because of the complex ORC configuration and interaction between topping and bottoming cycle. In conclusion, a simple control configuration with two PI controllers has been implemented and tested with two different load configuration.

Le recenti normative in tema di efficienza energetica e di riduzione delle emissioni di CO2, unite alle incertezze riguardanti l'andamento dei prezzi dei combustibili fossili, hanno portato al centro dell'attenzione il tema del recupero di energia da fonti di calore a media e bassa temperatura. Le applicazioni possibili sono numerose e coprono un range di potenza variabile da pochi kW a qualche MW, in funzione della tipologia di fonte di calore primaria. La tecnologia più adatta risulta essere quella ORC, le cui potenzialità sono già state ampiamente dimostrate: la possibilità di utilizzare diversi fluidi di lavoro permette infatti di soddisfare contemporaneamente sia requisiti di tipo ambientale sia di tipo tecnologico, e di recuperare calore anche a temperature estremamente basse rispetto agli impianti convenzionali. Il tema affrontato in questo lavoro è stato lo studio del recupero termico da un motore a combustione interna di grossa taglia, principalmente in termini di dinamica del sistema accoppiato ICE-ORC, volto allo sviluppo di un adeguato sistema di controllo. Vista l'elevata variabilità del carico richiesto al motore primo, il sistema ORC sottoposto opera spesso in condizioni di off-design. Ciò rende la modellazione dinamica un aspetto di primaria importanza per verificare l'affidabilità del ciclo di recupero e per identificare eventuali colli di bottiglia durante i transitori. La prima parte del lavoro consiste in un design preliminare dell'intero sistema ICE-ORC, in tutte le sue componenti principali: motore a combustione interna, scambiatori di calore (evaporatore, condensatore..), serbatoio, pompa e turbina. Per quanto riguarda quest'ultima, è stato sviluppato un codice 0D in grado di stimare le prestazioni off-design di turbogeneratori di piccola taglia. Il modello dell'intero impianto è stato implementato utilizzando il linguaggio di modellazione Modelica, e simulato in ambiente Dymola. Nella seconda parte invece vengono definiti obiettivi e strategia di controllo, attraverso lo studio delle principali dinamiche del sistema accoppiato. Il modello completo, inoltre, è stato utilizzato per trovare i valori ottimi dei set point delle variabili controllate: tale processo non è banale senza l'utilizzo di un modello di dettaglio completo, a causa della complessa configurazione dell'ORC e dell'interazione fra i due cicli termodinamici. In fine, è stata implementata una semplice con figurazione di controllo con due controllori PI, testati su due condizioni di carico differenti.