Scelta del ciclo di potenza e dimensionamento di uno scambiatore di calore per waste heat recovery da fluidi di pozzo

The purpose of this work is the recovery of energy efficiency by means of the production of electrical energy by using fluids at low temperature. The well taken into account for the development of my study is Cascina Cardana, at the Centrale Olio Eni located in Trecate (NO). The energy salvage is achieved through the replacement of the air cooler, designated for cooling the fluids’ well, with a power cycle, intended for the production of electrical energy. For this project, a series of technological options placed on the market is analysed in order to identify the best fitting to the machinery’s technical characteristics. Afterwards, the chosen one is used to convert thermal energy into electrical energy. The thesis also covers the planning of a heat exchanger, intended for the transfer of heat from the fluids’ well to the heat carrying fluid of the power cycle. The heat exchanger design is done by means of models, which describe the fluid dynamics and the thermal exchange in such a way to derive progressively a more complete characterisation. The first hypothesis made is that the fluids’ well are composed of water only (Monophasic Case). This is not an approximation too far from the reality since the water cut found in these fluids is 97.8%. A first heat exchanger design will be analysed by using the Kern method. Afterwards, a more detailed description is obtained by using the Bell-Delaware method, which takes into account the several leakages inside the heat exchanger. Afterwards, the study continues without the initial hypothesis of 100% water. In these conditions (Biphasic Case) it is analysed how the architecture changes considering the fluids’ well as a mixture composed of gas and water. Finally, it follows an economic analysis. This has been done in order to examine the feasibility and assess the project’s financial sustainability.

Il presente lavoro studia il recupero di efficienza energetica attraverso la produzione di energia elettrica da fluidi a bassa temperatura. Viene quindi preso in esame il pozzo Cascina Cardana, sito presso la Centrale Olio Eni in Trecate (NO). Il recupero di efficienza viene realizzato attraverso la sostituzione dell’air cooler, adibito al raffreddamento dei fluidi di pozzo, con un ciclo di potenza volto alla produzione di energia elettrica. Verranno quindi analizzate le varie alternative tecnologiche presenti sul mercato per la conversione di energia termica ad energia elettrica e si individuerà la scelta che meglio si adatta alle caratteristiche tecniche dell’impianto. Il presente lavoro prende in esame anche la progettazione di uno scambiatore di calore adibito al trasferimento della potenza termica dai fluidi di pozzo al fluido termovettore del ciclo di potenza. Il design dello scambiatore sarà condotto attraverso modelli che descriveranno la fluidodinamica e lo scambio termico via via in maniera più completa; si partirà con l’ipotizzare i fluidi di pozzo come se fossero composti da sola acqua (Caso Monofase), tale ipotesi non è troppo restrittiva in quanto il water cut di questi fluidi è del 97.8%; quindi si procederà ad uno design dello scambiatore attraverso il metodo Kern e in seguito al più dettagliato metodo Bell-Delaware che prende in considerazione i vari leakages dentro lo scambiatore. In seguito, si rilascerà l’ipotesi di fluido monofase e si analizzerà come cambia il design considerando i fluidi di pozzo come una miscela di acqua e gas (Caso Bifase). Infine, si procederà con l’analisi economica per verificare la fattibilità e la sostenibilità finanziaria del progetto, oggetto dello studio.