Study of a rod bundle regenerator for heat recovery from batch drying processes

All industrial sectors in all parts of the world, require the identification of more efficient methods of energy utilization. Since almost all kind of products need to be dried, it is easy to justify the need for modernization and concomitant research and development. This thesis focuses on a fixed-matrix regenerator applied to industrial drying, in which the hot fluid and cold fluid pass alternatively through a high thermal capacity framework made up by rod bundles, referred to as cylinders. The novelty consists in the application of a batch regenerator to a batch drying process in order to reduce both cost and complexity. The flow within the regenerator is studied by applying energy balances both to the air and the storing medium. The mathematical and numerical models are written for both of them, then the final system of equation is depicted by adding initial conditions, boundary conditions and the expression of the thermal power exchanged. The numerical model adopted is the finite difference with Crank-Nicolson temporal discretization scheme, which is the one presenting the lower error, compared to the analytical solution of a simpler case. The solution is implemented in MATLAB. Two case studies are analyzed. Constant inlet flow temperature for the entire drying cycle, for which it is examined the best geometrical configuration of the stove in terms of energy absorbed by the cylinders, total mass of the cylinders and pressure drop. Then it is taken the best configuration and it is analyzed the effect of a linear variation of the inlet flow temperature, which better reflects the behavior of an industrial textile dryer. The energy absorbed is linearly proportional to the mass of cylinders and the best configuration involves a very compact regenerator with a cylinder diameter of 25 mm, 6 cylinders per row and 16 rows. For this configuration the cylinders heat up and the thermal equilibrium is almost reached at the end of the drying cycle. However the maximum temperature increment of the flow at the end of the cold blow is only of 25°C for the first case and 22 °C for the second with a total mass of cylinders of 114,19 kg. Two solutions appear to be the increase of the mass and the adoption of crossed rod bundles

E' sempre più evidente, negli ultimi anni, che un utilizzo più efficiente dell'energia è necessario per limitare l'impatto ambientale. Tra i principali fattori che spingono verso l'adozione di nuovi sistemi di recupero di energia infatti vi sono norme sempre più restrittive sui livelli di efficienza e inquinamento. Tra i vari processi industriali, quello dell'essicazione è fra quelli che richiedono una quantità elevata di energia, poichè deve fornire il calore necessario per far evaporare l'acqua presente. Inoltre è diffuso in moltissimi ambiti industriali. Per queste ragioni è molto importante migliorarne l'efficienza attraverso sistemi di recupero dell'energia. In questa tesi viene analizzato il processo di asciugatura applicato al settore tessile. In particolare viene considerato il processo di asciugatura discontinuo, secondo il quale i vestiti vengono inseriti in un essiccatoio nel quale viene immessa aria calda fino a quando non si è raggiunto il livello di asciugatura richiesto. A questo punto il processo viene interrotto e i vestiti vengono sostituiti con altri bagnati. La novità di questo studio consiste nell'utilizzare uno scambiatore di calore rigenerativo con funzionamento discontinuo. Nel corso degli anni sono stati studiati molti sistemi di recupero di calore che utilizzano l'aria tiepida in uscita dell'essiccatoio, ma spesso vengono abbandonati perchè troppo costosi o complicati. Non si trovano in letteratura studi di rigeneratori applicati a questo tipo di processo. I rigeneratori sono particolari scambiatori di calore nei quali l'energia termica viene trasferita tra due mezzi attraverso un terzo. Il calore della sorgente calda infatti viene immagazzinato in una matrice dotata di elevata capacità termica e in seguito ceduto alla sorgente fredda. Il rigeneratore in esame consiste in due matrici collegate da un sistema di condotte e serrande, una in carica e una in scarica. Dove con carica si intende l'immagazzinamento di calore dovuto al passaggio della sorgente calda e con scarica il trasferimento di calore dalla matrice alla sorgente fredda che viene fatta passare nel letto caldo. I flussi sono invertiti periodicamente e il periodo di inversione corrisponde alla durata del ciclo di asciugatura. Il processo di scambio termico all'interno di un letto viene esaminato applicando l'equazione di conservazione dell'energia sia al fluido che alla matrice. La matrice in esame è composta da schiere di barre cilindriche disposte sfalsate l'una dall'altra. L'equazione di conservazione dell'energia del fluido, viene accoppiata a quella delle barre attraverso l'espressione della potenza termica scambiata, per la quale vengono adottate le correlazioni di scambio termico per fasci tubieri. L'analisi è monodimensionale e la conservazione della quantità di moto del flusso di aria si riduce ad una correlazione di perdita di carico. La soluzione dell'equazione dell'energia delle barre, per ogni schiera, nel tempo e nello spazio, viene calcolata in modo numerico adottando il metodo delle differenze finite applicato in coordinate cilindriche. La variazione di temperatura lungo l'asse della barra e lungo la coordinata angolare viene trascurata. Il sistema finale, che comprende l'equazione dell'energia dell'aria, l'equazione discretizzata dell'energia della barra, le condizioni iniziali e al contorno, le correlazioni di scambio termico e perdita di carico e l'espressione della potenza scambiata tra barre e aria, viene scritto per ogni schiera di barre e per ogni istante di tempo. La soluzione del sistema viene implementata utilizzando MATLAB. La discretizzazione temporale e spaziale dell'equazione dell'energia della barra compone una griglia formata dal numero di punti di discretizzazione spaziale e temporale. Viene eseguita un'analisi di griglia andando a variare il numero di punti di discretizzazione in modo da aumentare l'accuratezza della soluzione. Una volta trovata la griglia desiderata, la soluzione numerica viene validata per tre metodi diversi di discretizzazione temporale, valutando l'errore rispetto ad una soluzione analitica esistente per un caso semplificato. Il metodo che presenta l'errore minore è quello di Crank-Nicolson. Infine vengono esaminati due casi studio per il rigeneratore. Prima viene analizzato il caso in cui l'aria calda all'ingresso del letto ha una temperatura costante durante il ciclo di asciugatura. Una volta fissate le condizioni iniziali, la portata massica e l'area di ingresso del letto, vengono analizzate diverse configurazioni delle schiere di barre. L'analisi consiste nel valutare la miglior combinazione di: diametro delle barre, numero di barre per schiera e numero di schiere. La valutazione è effettuata in base ai valori dell'energia scambiata, massa delle barre e perdita di carico attraverso ogni schiera. Viene fatto variare il numero di cilindri per schiera per tre diversi valori del diametro delle barre e per tre diveri valori del numero di schiere. La configurazione migliore è quella che presenta il valore di energia assorbita per unità di massa maggiore e perdita di carico inferiore. Per questa configurazione viene analizzato il funzionamento di carica e scarica del letto. Nel secondo caso studio viene analizzato il funzionamenro di carica e scarica del letto per la configurazione trovata nel caso precedente per una temperatura non costante all'ingresso del rigeneratore. Infatti, nei numerosi studi presenti in letteratura su asciugatrici domestiche, si può trovare che l'andamento di temperatura all'uscita dell'asciugatrice non è costante al variare del tempo, poichè i vestiti sono sempre più asciutti e quindi assorbono sempre emeno calore. L'aria asce quindi con una tmperatura che aumenta nel tempo. In questo caso viene studiato lo scambio termico nel letto per un aumento lineare nel tempo di temperatura all'ingresso. I risultati mostrano che le schiere di barre all'interno del letto sono in grado di immagazzinare l'energia dell'aria e si portano quasi in equilibrio termico con essa e che il rigeneratore è molto compatto. Tuttavia, per entrambi i casi, l'incremento di temperatura dell'aria alla fine del ciclo di scarica non viene ritenuto sufficientemente elevato. Per tanto si ritiene che sia necessario un aumento della massa delle barre, andando ad incrementare diametro, numero di barre per ogni schiera e numero di schiere. Inoltre viene considerata la possibilità di un cambiamento di configurazione delle schiere di barre, adottando schiere di barre incrociate, appoggiate l'una sull'altra.