Comparative techno-economic analysis of WHR ORC systems

In the last years numerous organic Rankine cycle application have been installed all around the world due to the increasing attention about climate change, global warming and pollutant emission through exhausted gases of power plant. Organic Rankine cycles are one of the best technology solutions for low temperature heat source exploitation, which could solve most of these problems. The aim of this work is to introduce some new thermodynamic models, efficiency and cost correlations for missing components in a techno-economic optimization software for organic Rankine cycles. In particular, this work focuses on low power output cycles (1 MW or less) for WHR applications. The analysed and implemented components are: centrifugal pumps, air cooled condenser, brazed plate primary heat exchanger, single stage radial-inflow turbine, gearbox and power electronic system, hot thermal fluid as medium source between the hot source and the organic working fluid. The programming code has been properly modified and adapted to the required plant configuration. The objective of the optimization algorithm is to minimize the total specific cost of the whole plant, while the optimization variables varies depending on the analysed test. The tests results verify the validity of the proposed correlations for some specific organic fluids.

Negli ultimi anni, numerose applicazioni di cicli a fluido organico sono state installate nel mondo a causa della crescente attenzione nei confronti del cambiamento climatico, riscaldamento globale e dell’emissione di sostanze inquinanti dovute ai gas esausti provenienti da centrali di produzione di potenza. I cicli a fluido organico sono una delle migliori tecnologie disponibili nel mercato in grado di sfruttare una sorgente di calore a bassa temperatura e di risolvere la maggioranza di questi problemi. L’obiettivo di questo lavoro è l’introduzione all’interno di un software per l’ottimizzazione tecnico economica di cicli a fluido organico, alcuni nuovi modelli termodinamici per i componenti mancanti e le loro correlazioni di efficienza e di costo. In particolare questo lavoro si concentra su cicli di piccola taglia (1 MW o minore) per applicazioni di tipo WHR. I componenti sviluppati e implementati sono: una pompa centrifuga, un condensatore ad aria, uno scambiatore di calore primario a piastre saldate, una turbina radiale centripeta monostadio, una gearbox e un power electronic system, un fluido termovettore come sorgente intermedia tra la sorgente calda e il fluido organico di lavoro. Il codice di programmazione è stato modificato in alcune sue parti al fine di simulare al meglio la configurazione di impianto analizzata. L’obiettivo dell’algoritmo di ottimizzazione utilizzato è di minimizzare il costo specifico dell’intero impianto, le variabili di ottimizzazione invece variano a seconda del test analizzato. Alcuni test per alcuni specifici fluidi organici sono stati effettuati per validare le correlazioni proposte.