Novel algorithm for the optimization of Rankine cycles and heat exchanger networks

The research theme of this work is the optimization of the heat integration of energy systems, aimed at devising solutions with improved efficiency and economic performance. When devising novel energy systems, many possible thermodynamic cycles and arrangements of the heat exchanger network (HEN) are possible. The problem of process integration through heat integration has been tackled with a novel sequential algorithm based on the decomposition of the problem and the use of the meta-heuristic method PGS-COM for the optimization of independent mass flow rates, in order to synthesize and optimize at the same time the HEN and the utility system (i.e., direct/inverse Rankine cycle). The approach employs the same HEN and Rankine cycle superstructures proposed by Martelli and Elsido (2017). A total of 6 real-world plant layouts, exploiting hot and cold process streams of different nature, have been studied and solutions compared to the ones obtained by alternative methods available in literature.

Il presente elaborato tratta l’ottimizzazione dell’integrazione termica di sistemi energetici al fine di trovare soluzioni impiantistiche con migliori rendimenti e minori costi. Diverse tipologie di cicli termodinamici e configurazioni di reti di scambiatori di calore (Heat Exchanger Network) possono essere implementati per raggiungere questo scopo. Il problema dell’integrazione di processi industriali con recupero termico è stato affrontato tramite l’utilizzo di un innovativo algoritmo sequenziale, che sfrutta la decomposizione del problema e il metodo semi-euristico PGS-COM per l’ottimizzazione delle portate indipendenti del sistema, al fine di realizzare e ottimizzare la HEN e il ciclo di recupero (Ciclo Rankine diretto/indiretto) contemporaneamente. Il metodo proposto, adoperando la superstruttura per HEN e Cicli Rankine proposta da Martelli ed Elsido (2017), è stato applicato a 6 diversi casi studio, ciascuno caratterizzato dalla disponibilità di flussi caldi e freddi di diverse natura e condizioni termodinamiche. Le soluzioni impiantistiche ed economiche sono infine state confrontate con i risultati ottenuti da metodi già presenti in letteratura.