Detailed design of a phase change material waste heat recovery regenerator for natural gas-fired dryers

One of the best strategies to ensure effective usage of energy in the industrial setting is the recovery of waste heat. Model modifications and structural design of dual bed regenerators for textile drying are presented in this thesis. The tube bundles in the stoves of the regenerator are filled with paraffin phase change material, PCM. The previous models are modified to include metal shell storage and the volume change of the PCM during phase change. The improvement of the thermal storage performance through the enhancement of the conductivity of the PCMs using inclusion of foam is also examined and included in the thermal model. Examining the corrosive nature of the dryer exhaust gas, a casing made of stainless steel and tubes made of aluminum are used for the stove construction. The tube bundles are hung from the top of the casing in an aligned arrangement. The PCM in the tubes is contained by the end tube flattening mechanism of sealing. The air direction is switched in consecutive cycles by using diverter dampers, and online cleaning is done at the end of the cold blow by compressed air. For its good efficiency and stability, the air movement is powered by a backward curved bladed centrifugal fan. The models are implemented on MATLAB with the actual measured temperature and velocity values of the exhaust gas from the tumble dryer. The code mimics the process progress of the dryer when it starts from downtime, by running the hot and the cold blows parallelly until they reach a steady-state. A parametric study into the tube arrangements and an optimization study into arrangements of different paraffins in four sectors are done to determine a regenerator with the best performance. Accordingly, in a regenerator with a stove length of 2 m and for the case of ullage and shell metal storage considerations, the efficiency turns out to be 51.3%. The pumping power specific efficiency becomes 25.1 kWh/kWh and exhibits a pressure drop per stove of 1806.4 Pa. Such a regenerator has an optimal tube dimension and arrangement of 12 mm diameter and 24 cylinders in the row, which in the foam enhanced case transformed into a diameter of 18 mm and 16 cylinders in a row. The inclusion of highly porous aluminum foam enhances the thermal and economic indexes as the efficiency improves to 54.4%, the pressure drop per stove to 1171.9 Pa and the pumping specific efficiency to 40.68 kWh/kWh. The usage of different porosity values of aluminum foam or the usage of graphite foam doesn't significantly affect the thermal performance of the regenerator as long as the foam is highly porous. Because of the conductivity enhancement of the PCM through the inclusion of aluminum foam, the annual saving augments from 2234 euros to 2982 euros. The capital cost of the foam enhanced regenerator is computed using components of close specifications found in the market. Accordingly, the capital cost is determined to be 12242 euros, and the payback period of such a regenerator becomes 4.1 years.

Una delle migliori strategie per garantire un utilizzo efficace dell'energia in ambito industriale è il recupero di calore. In questa tesi vengono presentate le modifiche del modello e la progettazione strutturale di rigeneratori a doppio letto per l'asciugatura dei tessuti. I fasci tubieri delle matrici del rigeneratore sono riempiti con materiali a cambiamento di fase paraffinici. I modelli precedenti vengono modificati per includere l'accumulo termico nel tubo metallico e la variazione di volume delle paraffine durante il cambiamento di fase. Anche il miglioramento delle prestazioni di accumulo termico attraverso il miglioramento della conduttività delle paraffine viene esaminato e incluso nel modello termico utilizzando schiume metalliche. Esaminando la natura corrosiva dei gas di scarico dell'essiccatore, per la costruzione delle matrici vengono utilizzati un involucro in acciaio inossidabile e tubi in alluminio. I fasci tubieri vengono appesi dalla parte superiore dell'involucro in una configurazione allineata. La sigillatura dei tubi avviene attraverso l'appiattimento di ogni singolo tubo alle sue estremità. La direzione dell'aria viene commutata in cicli consecutivi mediante serrande e la pulizia dei fasci tubieri viene effettuata alla fine del flusso freddo mediante aria compressa. Per la sua buona efficienza e stabilità, il movimento dell'aria è alimentato da un ventilatore centrifugo a pale curve all'indietro. I modelli sono implementati in MATLAB utilizzando le misure di temperatura e velocità dei gas di scarico dall'essiccatoio. Il codice modella il funzionamento del rigeneratore, partendo dall’inizio del processo di essicazione fino a raggiungere uno stato stazionario. Uno studio parametrico sulla disposizione dei tubi e uno studio di ottimizzazione sulla disposizione di diverse paraffine in quattro settori vengono eseguiti per determinare la configurazione ottimale del rigeneratore. Considerando la variazione di volume delle paraffine e l’accumulo di calore nei tubi metallici, la configurazione ottimale è costituita da 24 tubi con un diametro di 12 mm. L'efficienza risulta essere del 51,3%. L'efficienza specifica della potenza di pompaggio è circa 25,1 kWh/kWh, che corrisponde a una perdita di pressione per matrice pari a 1806,4 Pa. Nel caso in cui si considera l’inclusione di schiuma metallica, la configurazione ottimale prevede 16 cilindri con un diametro di 18 mm. L’efficienza aumenta fino al 54,4%. L’efficienza specifica di pompaggio è pari a 40,68 kWh/kWh, che corrisponde a una caduta di pressione di 1171,9 Pa. L'uso di diversi valori di porosità della schiuma di alluminio o l'uso di schiuma di grafite non influisce in modo significativo sulle prestazioni termiche del rigeneratore fintanto che la schiuma è altamente porosa. A causa del miglioramento della conduttività delle paraffine attraverso l'inclusione della schiuma di alluminio, il risparmio annuale aumenta da 2234 euro a 2982 euro. Il costo di investimento del rigeneratore viene calcolato utilizzando offerte e specifiche trovate sul mercato. Il costo totale calcolato è pari a 12242 euro, che corrisponde a un periodo di recupero di 4,1 anni.