ThermAComp : the thermally-driven air compressor

The present work studies an innovative thermally-driven air compressor, namely ThermAComp, applied to the energy intensive industry, where the container glass sector is taken as reference. In the last years, heat recovery from flue gases has focused on power and steam production, despite other energy uses could be present in the plant. Typically, compressed air is an important energy cost and ThermAComp could replace electrically-driven industrial compressors. ThermAComp is studied in a mid-size regenerative glass plant and compared to conventional heat recovery systems. Heat balances are carried out at the plant boundary, which comprises furnaces and heat recovery systems. The present work develops steady-state numerical models of ThermAComp processes with software Aspen Plus V9. Equipments are selected from existing state-of-the-art technologies and rigorously modeled to predict off-design conditions with the highest accuracy. Turbomachinery are described by dimensionless performance maps and heat exchangers by detailed geometry. Regulation methods are introduced to avoid acid condensation in heat exchangers and cooling water freezing. Two full-scale systems are developed to deliver compressed air at 4 bar and 8 bar. In addition, a demonstration-scale ThermAComp is designed with minimal-size heat exchanger and automotive turbocharger in view of future experimental validation of numerical models. Correction functions of the nominal performance are fitted with multivariate statistical regression. These multidimensional surfaces allow a fast prediction of performances. Inside the region of compressed air production, regression yields accurate functions which are in agreement with numerical simulations. However, when preheated air only is produced, further studies are required to improve regression accuracy. ThermAComp stands out from conventional ORC because it delivers compressed and preheated air at the same time. During off-design conditions, performances are strongly affected by both ambient and flue-gas conditions.

Il presente elaborato sviluppa un sistema innovativo per produrre aria compressa da recupero termico industriale, in cui il settore del vetro cavo viene preso a riferimento. Negli ultimi anni, il recupero di calore da fumi di scarto si è focalizzato sulla produzione di potenza e di vapore, nonostante altre voci di consumo energetico siano presenti in loco. Tra queste, l'aria compressa è uno dei più importanti. Il sistema innovativo, chiamato ThermAComp, potrebbe sostituire in parte o completamente i già esistenti compressori elettrici. Inizialmente, si studiano diversi sistemi di recupero, tra cui ThermAComp, installati in un impianto di vetro cavo di medie dimensioni con forni rigenerativi. I bilanci di massa ed energia sono applicati al sistema che comprende il forno fusorio e i sistemi di recupero termico. Successivamente, l'elaborato sviluppa un modello numerico in stato stazionario mediante il software Aspen Plus V9. I componenti sono selezionati tra le tecnologie allo stato dell'arte e descritti in modo rigoroso. Il modello delle turbomacchine è basato sulle curve adimensionali mentre gli scambiatori di calore sono descritti da una geometria dettagliata. Alcuni sistemi di regolazione sono introdotti per evitare la condensazione acida negli scambiatori e il congelamento dell'acqua di raffreddamento. Due impianti in scala reale sono sviluppati per la consegna di aria compressa a 4 bar e 8 bar. In più, un impianto dimostrativo in scala ridotta è stato progettato allo scopo di validare sperimentalmente i modelli numerici. Tramite una regressione multivariata, i risultati delle analisi di sensitività sono aggregati in funzioni correttive dei valori nominali. Nella regione in cui viene prodotta aria compressa, le funzioni correttive sono estremamente accurate e in accordo con i risultati del modello numerico. Nella regione di consegna della sola aria preriscaldata, sono necessari ulteriori approfondimenti per ottenere regressioni accurate. Si evidenzia una forte competitività rispetto ai sistemi ORC convenzionali a causa della contemporanea produzione di aria compressa e preriscaldata. Nelle condizioni fuori progetto, si osservano variazioni consistenti di produttività in funzione della temperatura ambiente e delle condizioni dei fumi.