Modeling, optimization and experimental evaluation of Solar Direct Steam Generation for integration into industrial heating processes

The aim of this PhD is to demonstrate the potential and the feasibility of solar Direct Steam Generation (DSG) for the specific application of industrial heating processes. In order to study the physical phenomena which take place in a solar DSG plant and affect its generation and performance: modeling activities (three models developed), experimental lab tests and real case studies applications have been carried out. One of the major difficulties in modeling of two phase flow is to determine the geometry of the flow, i.e., the liquid and gas distribution over the cross section. In this field none of the existing semi-empirical correlations for flow pattern prediction is suitable for solar DSG: ie. diabatic two-phase flow defined for water at high pressure (3-30 bar) in large tube diameter (ca. 70 mm). Therefore, we aimed to further develop the semi-empirical correlations of Kattan Thome and Favrat (KTF) and its updated version (Zurcher, Thome and Favrat), developed for similar conditions: diabatic two-phase flow with refrigerants at low pressure (< 9 bar) and for small pipe diameters (< 14 mm). Thus, the first part of this PhD consists in the validation of extension of the flow pattern map outside of its original boundary conditions. Further a DSG test bench was developed at the Department of Energy of Politecnico di Milano (POLIMI - DENG) and the modified KTF correlations have been performed for water fluid under laboratory scale. More than 100 steady-state tests have been performed and a good agreement is observed between experimental results and modified KTF correlations. In literature, published performance results from existing "real" operating solar DSG installations are yet scarce. Good practice examples are required to demonstrate the feasibility of solar DSG for the integration into industrial heating processes. Thus, the model (validated with the experimental data above mentioned) has been applied to a solar DSG plant installed in Amman-Sahab / Jordan at RAM Pharmaceuticals Company with the objective to quantify and evaluate the performance for two different periods of 14 days each, in winter and in summer. Pressure distribution, pressure drops and liquid level variation are the variables compared between measurement and expected results, for two characteristic days, one in each period. An innovative flow pattern analysis is presented and three levels of optimization are proposed to improve energy performance and plant behavior (stability, safety). The first one focuses on the methodology to design the solar field layout (parallel vs series, ideal mass flow rate) for a MW plant. The second one analyzes the effect of fast moving evaporation start point and it defines the conditions to avoid harmful conditions at absorber outlet. And finally, night heat loss has been reduced by approximatively 20% on a summer day thanks to the optimized control strategy implemented in April 2016 at RAM plant.

L’obbiettivo di questo dottorato di ricerca è di dimostrare il potenziale e la fattibilità della generazione diretta di vapore (DSG) tramite il solare termico per l’applicazione specifica in processi termici industriali. Per studiare i fenomeni fisici che entrano in gioco negli impianti solari DSG e influenzano la generazione e il rendimento sono state realizzate attività di modellazione (tre modelli sviluppati), prove sperimentali in laboratorio e analisi di un caso studio reale. Una delle più grandi difficoltà nella modellazione dei fluidi bifase è capire la geometria del flusso, i.e. la distribuzione del liquido e del gas nella sezione del tubo. In questo ambito nessuna delle correlazioni semi-empiriche esistenti per la previsione del regime di moto risulta adeguata per il solare DSG: ie. un flusso diabatico di due fasi definito per acqua ad alta pressione (3-30 bar) lungo un tubo di diametro di grande dimensione (ca. 70 mm). Quindi, abbiamo scelto e usato le correlazioni semi-empiriche di Kattan Thome and Favrat (KTF) e della sua versione aggiornata (Zurcher, Thome and Favrat), sviluppate per condizioni simili al nostro caso: un flusso diabatico di due fasi definito per refrigeranti a bassa pressione (< 9 bar) lungo un tubo con diametro piccolo (< 14 mm). Di conseguenza, la prima parte di questo dottorato consiste nella validazione dell’estensione della mappa dei regimi di moto fuori dal suo intervallo di definizione originale. Inoltre è stato sviluppato un banco di prova presso il dipartimento di Energia dell Politecnico di Milano (POLIMI-DENG) e le correlazioni aggiornate di KTF sono state testate utilizzando acqua come fluido. Sono state realizzate più centinaia di prove in regime stazionario ed è stata osservata una buona corrispondenza tra i risultati sperimentali e le correlazioni aggiornate di KTF. Dalla letteratura scientifica, i risultati del rendimento reale di un sistema esistente sono rari e poco documentati. Sono quindi richiesti esempi di buona pratica per dimostrare la fattibilità della generazione diretta di vapore tramite solare termico per l’applicazione in processi termici industriali. Di conseguenza, il modello (validato con le prove sperimentali indicate sopra) è stato applicato ad un impianto installato ad Amman-Sahab / Giordania presso l’azienda farmaceutica RAM con l’obbiettivo di quantificare e valutare il funzionamento su due periodi di 14 giorni, in inverno e in estate. I valori attesi della distribuzione di pressione, delle perdite di carico e della variazione del livello di liquido sono stati confrontati con i dati misurati per due giorni caratteristici, uno in ogni periodo d’analisi. Infine è presentata un’analisi innovativa del regime di moto e sono discussi tre livelli di ottimizzazione per migliorare il rendimento energetico e il funzionamento del sistema (stabilità, sicurezza). Il primo si concentra sulla metodologia di dimensionamento e configurazione del campo solare (parallelo vs serie, portata massica ideale) per un impianto MW. Il secondo analizza l’effetto del rapido movimento del punto d’inizio evaporazione e definisce le condizioni per evitare stati pericolosi all’uscita del assorbitore. Infine, le perdite termiche notturne sono state ridotte approssimativamente del 20% (nell’esempio di un giorno in estate) tramite una strategia di controllo ottimizzata, implementata in aprile 2016 nel impianto di RAM.