Study of a phase change regenerator for heat recovery from batch drying processes

The global challenge for energy sustainability requires a great effort towards efficient energy use, in particular in very energy-intensive processes as industrial drying. This thesis presents a double stove rod bundle regenerator suited for excess heat recovery from batch drying processes. The main novelty consists in the application of phase change materials in the matrix, but further improvements are also considered in the heat transfer model. The process of heat recovery is studied with the use of energy balances between the flow and the matrix. The Zukauskas correlations are selected to determine the sensible heat transfer coefficient, while, when condensation occurs, the iterative film method is used. The evolution in time of the state of the stove is calculated by means of a finite difference scheme and a modified lumped parameters model. The developed set of equations is implemented in a MATLAB program that finds the periodic steady state of the regenerator using a parallel computing algorithm. The case study of a textile drying application is considered and a paraffin in the class C30-35 with the melting temperature of 350 K is selected. The performance of the paraffin is confronted with the benchmark of stainless steel by mean of a parametric thermodynamic evaluation. Furthermore, the behavior of the regenerator during a single cycle of operations is detailed, underlining the differences between the materials used and the effect of condensation on the heat transfer. Various thermodynamically optimal configurations result in an energy recovery between 35\% and 45\% with a pressure drop lower than 1000 Pa. To find the best techno-economic solution, a preliminary assessment is performed considering the investment cost of the regenerator and the energy savings. For steel matrices a minimum pay back time of 2.85 years is calculated, while, when the paraffin is used, the same pay back time is obtained considering a cost per kilogram of the material 7 to 8 times higher compared to steel. Forecasting a price reduction of PCMs with their dissemination, values of pay back time as low as 0.70 years are estimated. Overall, the analysis shows a positive outcome for the performance of the studied regenerator, that appears industrially appealing and worth further studies.

La sfida globale per la sostenibilità energetica richiede un grande sforzo verso un uso efficiente dell'energia, in particolare nei processi ad elevato consumo come l'essicazione industriale. Questa tesi propone un rigeneratore a doppio letto con matrice tubolare fissa, adatto al recupero termico da processi intermittenti di asciugatura. La principale novità consiste nell'utilizzare materiali a cambiamento di fase, ma diversi miglioramenti sono anche applicati al modello di scambio termico. Il recupero termico è analizzato mediante bilanci energetici tra il fluido e la matrice, le correlazioni di Zukauskas sono selezionate per calcolare lo scambio termico sensibile, mentre in caso di condensazione è utilizzato il metodo iterativo del film. L'evoluzione nel tempo della matrice è calcolata utilizzando uno schema alle differenze finite e un modello a parametri concentrati modificato. Il sistema di equazioni è implementato in un codice MATLAB che risolve lo stato ciclico stazionario del rigeneratore sfruttando la computazione parallela. Nel caso studio si considera un'asciugatrice tessile industriale, selezionando come materiale una paraffina del gruppo C30-35, con temperatura di fusione di 350 K. I risultati ottenuti per tale materiale sono confrontati con quelli dell’acciaio mediante un'analisi parametrica. Inoltre, il comportamento del rigeneratore durante un singolo ciclo è dettagliatamente descritto, enfatizzando le differenze tra i due materiali e l'influenza della condensazione. Diverse configurazioni ottimali permettono recuperi energetici tra il 35% ed il 45% limitando le perdite di carico sotto i 1000 Pa. Per trovare la migliore soluzione tecnico-economica viene descritto un modello che considera il costo dei materiali ed il valore del risparmio energetico. Utilizzando l'acciaio il tempo di ritorno dell'investimento si assesta a 2.85 anni, mentre nel caso della paraffina, fissando come obiettivo lo stesso tempo, si ottiene un costo tollerabile per il materiale da 7 a 8 volte maggiore rispetto all'acciaio. Prevedendo una futura riduzione di costo delle paraffine, grazie alla loro diffusione, si stimano tempi di ritorno decrescenti fino a 0.70 anni. L'esito dell'analisi realizzata è positivo, con un possibile uso industriale del prodotto che merita ulteriori studi tecnico-economici.