Thermal analysis of a super-heater of a heat recovery steam generator

The thesis under consideration seeks to scrutinize the performance of a superheater within a Heat Recovery Steam Generator (HRSG) from a thermodynamic standpoint. Specifically, the analysis endeavors to juxtapose disparate methodologies—namely, one-dimensional and two-dimensional approaches—with the intention of assessing disparities in the outcomes. To commence, the exposition delves into the fundamental characteristics and applications of combined cycles, integral elements in contemporary electricity production. Subsequently, a meticulous description of the pertinent technical facets of recovery boilers is provided, along with an overview of prevalent system configurations. Building upon the introductory considerations, the focus shifts to the more technical aspects of the discourse, commencing with an examination of heat exchange within a heat exchanger. The methodologies employed for calculating thermophysical properties—such as specific heat, density, dynamic viscosity, thermal conductivity, and enthalpy—are elucidated, followed by an in-depth discussion on the techniques used to evaluate heat exchange processes and pressure drops for both flue gas and steam flows. The concept of heat exchange effectiveness is also explored as a pivotal element in the proposed analysis. This section of the thesis incorporates a brief yet comprehensive analysis of fins. General aspects, characteristic parameters, and primary types of fins are highlighted. In the context of this thesis, the ESCOA State Engineering Manual plays a fundamental role in supporting the evaluation of heat exchange and pressure drops on the gas side. The third chapter outlines the "IT" configuration of the simulations presented in this thesis, enumerating the primary MATLAB functions and providing succinct commentary. The MATLAB code implementation for both 1-D and 2-D analyses is detailed, emphasizing commonalities and differences. The numerical method employed by MATLAB for solving non-linear systems is briefly expounded upon, accentuating its peculiarities. Upon describing the MATLAB codes used for simulations, a validation process was initiated. Reference cases were chosen for comparison, starting with validation against the ESCOA procedure and subsequently comparing results with a THERMOFLEX simulation of a reference case. The concluding chapter scrutinizes the results, introducing a corrective factor and associated correlations. Multiple case studies, derived from the THERMOFLEX reference case, are presented. The thermal power results from one-dimensional to two-dimensional analyses are compared, and a correction factor is computed. Correlations between the correction factor and dimensional characteristics of heat exchangers are proposed, extending the applicability of the results. The thesis concludes with recommendations for further developments aimed at broadening and refining the discussion.

La presente tesi si propone di analizzare, dal punto di vista termodinamico, le prestazioni di un surriscaldatore all'interno di una caldaia a recupero (HRSG). In particolare, l'analisi mira a confrontare approcci unidimensionali e bidimensionali per valutare le differenze nei risultati ottenuti. Inizialmente, vengono illustrate le caratteristiche principali e le applicazioni dei cicli combinati, considerati elementi fondamentali nella produzione di energia elettrica. Successivamente, sono descritti dettagliatamente gli aspetti tecnici rilevanti delle caldaie a recupero, insieme alle configurazioni impiantistiche più comuni. Dopo queste considerazioni preliminari, l'attenzione si concentra sugli aspetti tecnici, iniziando con l'analisi dello scambio termico all'interno di uno scambiatore di calore. Si presentano le procedure e i database utilizzati per calcolare le proprietà termofisiche coinvolte, come il calore specifico, la densità, la viscosità dinamica, la conducibilità termica ed l'entalpia. Successivamente, vengono esaminate in dettaglio le metodologie impiegate per valutare i processi di scambio termico e le perdite di carico per il flusso di gas combusti e quello di vapore. Infine, si approfondisce il concetto di efficacia di scambio termico, elemento cruciale nell'analisi proposta. Questa sezione include anche un breve approfondimento sulle alette, evidenziando gli aspetti generali, i parametri caratteristici e le principali tipologie utilizzate. Per le tipologie di alette considerate, così come per la valutazione dello scambio termico e delle perdite di carico lato gas, il Manuale Ingegneristico ESCOA risulta di fondamentale supporto. Nel terzo capitolo, vengono fornite informazioni sull'aspetto "informatico" delle simulazioni proposte, con una breve descrizione delle principali funzioni MATLAB utilizzate. Si procede quindi a descrivere i passaggi chiave del codice MATLAB implementato sia per l'analisi 1-D che per quella 2-D, mettendo in luce le somiglianze e le differenze. Viene anche illustrato brevemente il metodo numerico adottato da MATLAB per la soluzione di sistemi non-lineari. Dopo la descrizione dei codici MATLAB utilizzati, si affronta un processo di validazione scegliendo casi di riferimento per confrontare i risultati ottenuti. La validazione include confronti con la procedura ESCOA e una simulazione THERMOFLEX di un caso di studio. Infine, l'ultimo capitolo si concentra sull'analisi dei risultati e sull'introduzione di un fattore correttivo con relative correlazioni. Vengono presentati diversi casi di studio con variazioni nei parametri di processo, e i risultati vengono confrontati tra analisi unidimensionali e bidimensionali. Un fattore correttivo viene calcolato come il rapporto tra i valori ottenuti dalle analisi zero-dimensionale e bidimensionale. Possibili correlazioni tra il fattore correttivo e grandezze dimensionali caratteristiche degli scambiatori di calore vengono discusse, fornendo suggerimenti per sviluppi futuri.