Simultaneous synthesis and optimization of compression refrigeration cycles and corresponding heat exchangers networks

Refrigeration cycles represent a wide class of thermodynamic cycles, with several technical solutions available. In many cases, the choice of these solutions depends on trade-off evaluations, making optimal design for refrigeration cycles difficult and deeply application-dependant. This problem reflects on the absence in literature of a univocal direction in refrigeration cycles structure optimization, with different drivers and objectives strongly affecting procedures and results. In this work, a method for the simultaneous optimization of compression refrigeration cycles together with the corresponding Heat Exchanger Network (HEN) is presented, focusing on pure-refrigerant cycles. A general and detailed superstructure for compression refrigeration cycles is built and combined with a HEN superstructure, allowing to couple optimal cycle selection with heat integration. The general superstructure allows to consider different working fluids and to systematically optimize different numbers of pressure levels, simple or cascade cycles, and it can include features such as subcooling, superheating and different kinds of intercooling. In addition, the model was extended to optimize also the thermodynamic properties of the cycle, allowing to select the optimal temperatures and pressures at which the selected structure should be operated. This way all the main technical, thermodynamic and economic parameters are considered, and the best techno-economic trade-off can be found. To the author’s knowledge, no other available method in literature achieve this level of generality. The corresponding problem is modelled as a MINLP (Mixed-Integer Non-Linear Programming) problem and tackled with a bilevel decomposition approach, optimizing separately in an iterative procedure binary and continuous variables. Different case studies are evaluated to test the presented approach, showing its ability to strongly improve performance of refrigeration cycles with respect to the selected benchmarks, covering a wide range of temperatures and refrigerants and pure-refrigerant simple or cascade compression cycles with up to seven levels of pressure.

I cicli frigoriferi rappresentano una categoria molto ampia di cicli termodinamici, all’interno della quale sono disponibili molte soluzioni tecnologiche. In molti casi la scelta della soluzione migliore deve tenere conto di diversi trade-off, che rendono il design di un ciclo frigorifero complesso e fortemente influenzato dalla specifica applicazione. Questo si riflette nell’assenza in letteratura di una chiara direzione per l’ottimizzazione di questa tecnologia, con singole procedure fortemente influenzate da specifici obiettivi. In questo lavoro viene presentato un metodo per l’ottimizzazione simultanea di cicli frigoriferi a compressione e della corrispondente rete di scambiatori di calore (HEN), focalizzata in particolare sui refrigeranti puri. Nel metodo presentato sono combinate una superstruttura generale di ciclo frigorifero a compressione e una di HEN, permettendo di combinare la scelta ottimale del ciclo con il miglior scambio termico possibile. La superstruttura generale permette di considerare diversi fluidi refrigeranti e ottimizzare sistematicamente cicli con diversi numeri di livelli di pressione, semplici o in cascata, e include tutte le soluzioni tecnologiche principali quai sottoraffreddamento, surriscaldamento e diverse opzioni in interrefrigerazione. Inoltre, il modello consente di ottimizzare le proprietà termodinamiche del ciclo, permettendo di selezione le temperature e pressioni ottimali a cui operare la struttura ottimizzata. In questo modo vengono cosiderati tutti i principali parametri tecnici, termodinamici ed economici, per selezionare il trade-off ottimale. Al meglio delle conoscenze dell’autore, nessun altro metodo in letterature raggiunge questo livello di generalità. Il problema corrispondente è modellato come un MINLP (Mixed-Integer Non-Linear Programming), risolto con un approccio di decomposizione in due livelli, ottimizzando separatamente in una procedura iterativa le variabili binarie e quelle continue. Sono stati modellati diversi casi studio per testare la procedura proposta, mostrando notevoli miglioramenti rispetto ai casi presi come riferimento e coprendo un’ampia gamma di temperature, fluidi refrigeranti e cicli semplici e in cascata fino a sette livelli di pressione.