Waste heat recovery is one of the most important pathways for efficiency improvement and contributes to climate change mitigation, as it allows to transform thermal energy that would otherwise be rejected into useful products. This work will analyse two technologies for waste heat recovery for electrical power production: Kalina Cycle, the main topic, and its comparison with Organic Rankine Cycle. The first one, based on partial evaporation of a binary mixture of ammonia and water, can overcome climate change issues thanks to the favourable property of the working fluid. After an introductory overview of their layout, working principles and characteristics, the models of the two cycles realised on Aspen Plus® software are presented. For Kalina Cycle is investigated, in addition to ammonia and water mixtures as working fluids, the use of more performant alcohol mixtures, specifically ethanol/hexanol and benzene/toluene. In both cases it is performed an optimization maximising net power production, which is equivalent to achieving the highest exergy efficiency at different waste-heat-source temperatures. The results show a predominance of Organic Rankine Cycle for lower temperatures and a better behaviour of Kalina Cycle with alcohol-based mixtures at higher temperatures. Additional investigations are carried regarding also complementary considerations about which cycle to choose taking into account other parameters, such as energy and first-principle efficiencies.

Il recupero del calore di scarto è una delle vie più importanti per migliorare l’efficienza energetica e contribuisce alla mitigazione del cambiamento climatico in atto, poiché permette di trasformare l’energia termica residua che verrebbe altrimenti scartata in prodotti utili. Questo lavoro analizzerà due tecnologie per il recupero del calore di scarto: il ciclo Kalina, l'argomento principale, e il confronto di esso con il ciclo Rankine Organico. Il primo, basato sull'evaporazione parziale di una miscela binaria di ammoniaca e acqua, può superare le criticità climalteranti grazie alle proprietà del fluido di lavoro. Dopo una panoramica introduttiva della loro configurazione, dei principi di funzionamento e delle loro principali caratteristiche, vengono presentati i modelli dei due cicli realizzati tramite il software Aspen Plus®. Per il ciclo Kalina è investigato, oltre alla miscela di ammoniaca e acqua come fluido di lavoro, anche l’utilizzo di miscele di alcol più performanti, in particolare etanolo/esanolo e benzene/toluene. In entrambi i casi, i cicli vengono ottimizzati con l'obiettivo di massimizzare la produzione netta di energia, equivalente al massimo rendimento exergetico a diverse temperature del calore di scarto. I risultati mostrano una predominanza del ciclo Rankine Organico per temperature più basse e un migliore comportamento del ciclo Kalina con miscele a base alcolica a temperature più elevate. Ulteriori analisi sono condotte riguardanti considerazioni complementari su quale ciclo scegliere tenendo conto di altri parametri, come il rendimento energetico e di primo principio.

Performance comparison between Kalina cycle and organic Rankine cycle for waste heat recovery

Nigro, Alessandro
2021/2022

Abstract

Waste heat recovery is one of the most important pathways for efficiency improvement and contributes to climate change mitigation, as it allows to transform thermal energy that would otherwise be rejected into useful products. This work will analyse two technologies for waste heat recovery for electrical power production: Kalina Cycle, the main topic, and its comparison with Organic Rankine Cycle. The first one, based on partial evaporation of a binary mixture of ammonia and water, can overcome climate change issues thanks to the favourable property of the working fluid. After an introductory overview of their layout, working principles and characteristics, the models of the two cycles realised on Aspen Plus® software are presented. For Kalina Cycle is investigated, in addition to ammonia and water mixtures as working fluids, the use of more performant alcohol mixtures, specifically ethanol/hexanol and benzene/toluene. In both cases it is performed an optimization maximising net power production, which is equivalent to achieving the highest exergy efficiency at different waste-heat-source temperatures. The results show a predominance of Organic Rankine Cycle for lower temperatures and a better behaviour of Kalina Cycle with alcohol-based mixtures at higher temperatures. Additional investigations are carried regarding also complementary considerations about which cycle to choose taking into account other parameters, such as energy and first-principle efficiencies.
KARELLAS, SOTIRIOS
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2022
2021/2022
Il recupero del calore di scarto è una delle vie più importanti per migliorare l’efficienza energetica e contribuisce alla mitigazione del cambiamento climatico in atto, poiché permette di trasformare l’energia termica residua che verrebbe altrimenti scartata in prodotti utili. Questo lavoro analizzerà due tecnologie per il recupero del calore di scarto: il ciclo Kalina, l'argomento principale, e il confronto di esso con il ciclo Rankine Organico. Il primo, basato sull'evaporazione parziale di una miscela binaria di ammoniaca e acqua, può superare le criticità climalteranti grazie alle proprietà del fluido di lavoro. Dopo una panoramica introduttiva della loro configurazione, dei principi di funzionamento e delle loro principali caratteristiche, vengono presentati i modelli dei due cicli realizzati tramite il software Aspen Plus®. Per il ciclo Kalina è investigato, oltre alla miscela di ammoniaca e acqua come fluido di lavoro, anche l’utilizzo di miscele di alcol più performanti, in particolare etanolo/esanolo e benzene/toluene. In entrambi i casi, i cicli vengono ottimizzati con l'obiettivo di massimizzare la produzione netta di energia, equivalente al massimo rendimento exergetico a diverse temperature del calore di scarto. I risultati mostrano una predominanza del ciclo Rankine Organico per temperature più basse e un migliore comportamento del ciclo Kalina con miscele a base alcolica a temperature più elevate. Ulteriori analisi sono condotte riguardanti considerazioni complementari su quale ciclo scegliere tenendo conto di altri parametri, come il rendimento energetico e di primo principio.
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