Optimization of a cascade phase change regenerator for heat recovery from a real batch drying process

The increase of the worldwide energy consumption makes waste heat recovery one of the most interesting strategies for the realization of effective energy saving systems. The present work deals with the experimental analysis, numerical study and economic feasibility of a cascade phase change regenerator for heat recovery in the textile dryer industry. The regenerator operates in a batch mode with a downward hot blow and an upward cold blow flowing alternatively in two vertical stoves. The former is the hot and humid air exiting the dryer, that transfers energy to the bed matrix. The latter is the ambient air that preheats while exchanging energy with the stove previously crossed by the hot blow. The blows are switched between the two beds each cycle to make the process continuous. The bed matrix is made of hollow rod bundles filled with phase change materials available on the market. The aim of this process is to maximize the temperature of the preheated air at the inlet of the dryer, that is equivalent to maximizing the energy recovered during the cold blow and minimizing the use of energy for drying. An optimization process is performed in an extended numerical model to find the stove configuration and set of commercial materials that lead to the most efficient heat exchange process. Both a parametric analysis and two optimization methods, i.e. local research and genetic algorithms, are performed. Moreover, the inlet and boundary operating conditions of the regenerator are found through an experimental analysis. The optimal configuration obtained for the case study of the regenerator is characterized by an energy recovery of 61.5%, corresponding to 52 MJ of saved energy. On their turn, the annual savings are in the order of 3340 euros. The comparison of the regenerator with a plate heat exchanger shows that the former is promising in terms of operating and maintenance aspects. Specifically, the issue of fouling and the possibility to enhance the heat transfer mechanism in the regenerator are considered.

La crescita del consumo di energia a livello globale ha reso il recupero termico una delle principali strategie per la realizzazione di sistemi a crescente risparmio energetico. Il presente lavoro affronta l'analisi sperimentale, lo studio numerico e la fattibilità economica di un rigeneratore con materiali a cambiamento di fase per il recupero termico nell'industria degli essiccatoi industriali. Il rigeneratore opera in modo discontinuo con un flusso caldo verso il basso e uno freddo verso l'alto, i quali attraversano in modo alternato due camere verticali. Il primo flusso è l'aria calda e umida in uscita dall'essiccatoio, che scambia energia con la matrice del rigeneratore. Il secondo flusso è aria in condizioni ambiente, che si preriscalda scambiando energia con la matrice precedentemente attraversata dal flusso caldo. Il processo è reso continuo dall'utilizzo di due matrici. La matrice è composta da fasci tubieri cavi e riempiti di materiali a cambiamento di fase commerciali. Lo scopo di questo processo è quello di massimizzare la temperatura dell'aria preriscaldata in ingresso all'essiccatoio, ossia massimizzare l'energia recuperata dal flusso freddo e minimizzare l'energia usata dall'essiccatoio. Quindi, un processo di ottimizzazione è utilizzato per trovare quale sia la configurazione del rigeneratore e l'insieme di materiali industriali che garantiscano lo scambio termico più efficiente. Un'analisi parametrica e due metodi di ottimizzazione, di cui un modello basato sulla ricerca locale e un algoritmo genetico, sono utilizzati. Inoltre, le condizioni operative del rigeneratore sono ottenute attraverso un'indagine sperimentale. La configurazione ottimale ottenuta per il caso studio del rigeneratore è caratterizzata da un recupero di energia del 61.5%, che corrisponde ad un'energia recuperata pari a 52 MJ e a risparmi annuali nell'ordine di 3340 euro. Confrontando il rigeneratore con uno scambiatore a piastre, si nota che il rigeneratore ha delle caratteristiche operative e di manutenzione promettenti rispetto al recuperatore. In particolare, il problema dello sporcamento e la possibilità di migliorare lo scambio termico del rigeneratore sono considerati.