Modellazione numerica di sistemi complessi per la simulazione dell'efficienza energetica e dell'impatto ambientale dei processi industriali.

The objective of this thesis is the development of numerical methodologies for the accurate performance prediction of systems and technologies that can be applied to any industrial process for its energy efficiency enhancement and environmental footprint reduction. Numerical modelling of the complete energy systems can be a key design tool to investigate the potential solutions to improve the performance of the considered system. The aim of this research work is the implementation of specific tools and numerical models for investigating the performance of systems/technologies that can bring the industry towards a near-zero discharged sector. Analysing the solution optimization, studying the integration in the existing industrial processes and evaluating the economics of the design are some of the goals of the numerical methodologies developed. The numerical models of this thesis deal with analysis of the benefits gained by the application of waste heat recovery systems (WHRS) in industrial processes; the recovery of heat that is wasted into the environment is one of the levers to enhance the energy efficiency in industrial processes. The study relies on two different numerical approaches: lumped and distributed parameter modelling (0D/1D) and computational fluid dynamic approach (3D). The thesis encompasses also a numerical-experimental validation; indeed, the numerical models have been applied to real test cases to test the capabilities of the computational tools and the results have been compared with experimental data for the models’ validations. The first numerical approach, i.e. lumped and distributed parameter, has been used to develop a model that investigates the application of a WHRS in an industrial process; the idea is to recover the heat contained in the exhaust stream and to re-use the recovered thermal energy in the industrial processes in order to decrease their carbon emissions and increase process efficiencies. The transient 0D/1D numerical modelling is able to predict the fluid dynamic behaviour of the heat recovery system and the benefits gained by this solution in terms of energy efficiency enhancement and in terms of environmental impact reduction for the industrial process. The 0D/1D model includes the entire heat recovery system which consists of the primary and secondary circuit, and all the main components (piping, valves, pumps etc etc…). In addition to this, a specific library has been developed for the simulation of the control strategy of the WHRS. The numerical model developed has been applied to a real test case for investigating the application of the WHRS to a ceramic industrial process. The WHRS has been physically installed in the ceramic facility located in the ceramic district of Emilia Romagna and the experimental data gathered in this test case demonstrated the numerical capabilities of the model. The CFD modelling, i.e., second approach, has been applied for investigating the fluid dynamic behavior of the single component, i.e., heat recovery unit. The numerical model developed provides the thermal behavior of the system in terms of temperature, pressure, and velocity distribution; the thermal power recovered by the unit can be also estimated. Depending on the size of the system, different strategies for the simulation of the heat recovery units can be considered to decrease the computational effort of the simulation. In this research work, two numerical models are presented. Finally, a CFD numerical model for the simulation of the fouling phenomenon in heat exchangers is presented. A Lagrangian multiphase model is used, and the particle contacts and the sticking-rebound mechanics are considered in the analysis. The implemented CFD numerical models demonstrate to predict accurately the results obtained with both measurements on real test cases and theoretical correlations.

Oggetto del lavoro di tesi è lo sviluppo di metodologie numeriche per l’analisi delle prestazioni di sistemi e tecnologie che possono essere applicate a qualsiasi processo industriale per il miglioramento dell'efficienza energetica e la riduzione dell’impatto ambientale. Lo studio si è focalizzato sull'implementazione di strumenti e modelli numerici specifici per indagare le prestazioni di sistemi/tecnologie che possono portare l'industria verso un settore prossimo ad impatto ambientale zero. L'ottimizzazione della soluzione, studiare la sua integrazione nei processi industriali esistenti e valutare la fattibilità economica sono alcuni degli obiettivi delle metodologie numeriche sviluppate. I modelli numerici sviluppati in questo studio consentono di analizzare i benefici ottenuti dall'applicazione dei sistemi di recupero del calore di scarto (WHRS) nei processi industriali; il recupero del calore disperso nell'ambiente è una delle leve per migliorare l'efficienza energetica dei processi produttivi. Lo studio si basa su due diverse metodologie numeriche: modellazione a parametri concentrati e distribuiti (0D/1D) e approccio CFD (analisi fluidodinamica computazionale -3D). La tesi riporta anche una validazione numerico-sperimentale; infatti, i modelli numerici sono stati applicati a casi reali per testarne la loro affidabilità, confrontando i dati sperimentali con i risultati numerici. Il primo approccio numerico, ovvero parametri concentrati e distribuiti, è stato utilizzato per sviluppare un modello che permette di simulare l'applicazione di un impianto di recupero di calore di scarto in un processo industriale; l'idea è di recuperare il calore contenuto nei gas emessi in atmosfera e di riutilizzare l'energia termica recuperata nei processi industriali. Di conseguenza, aumenta l'efficienza del processo e diminuiscono le emissioni di anidride carbonica. La modellazione numerica 0D/1D consente di prevedere il comportamento fluidodinamico del sistema di recupero del calore e i benefici ottenuti da questa soluzione in termini di miglioramento dell'efficienza energetica e in termini di riduzione dell'impatto ambientale per il processo industriale. Il modello 0D/1D comprende l'intero sistema di recupero del calore costituito dal circuito primario e secondario e da tutti i componenti principali (tubazioni, valvole, pompe ecc ecc…). Inoltre, è stata sviluppata una libreria specifica per la simulazione della strategia di controllo del sistema di recupero di calore di scarto. Il modello numerico sviluppato è stato applicato ad un vero e proprio test case per analizzare l'applicazione del WHRS ad un processo industriale ceramico. Il WHRS è stato installato nello stabilimento situato nel distretto ceramico in Emilia Romagna e i dati sperimentali raccolti hanno dimostrato le capacità numeriche del modello. La modellazione CFD, ovvero il secondo approccio, è stata applicata per studiare il comportamento fluidodinamico del singolo componente, ovvero il recuperatore di calore. Il modello numerico sviluppato fornisce il comportamento termico del sistema in termini di temperatura, pressione e distribuzione di velocità; è inoltre possibile stimare la potenza termica recuperata dall'unità. A seconda delle dimensioni del sistema, possono essere prese in considerazione diverse strategie per la simulazione dei recuperatori di calore per ridurre la potenza computazionale richiesta dalla simulazione. In questo lavoro di ricerca vengono presentati due modelli numerici differenti. Infine, viene presentato un modello numerico CFD per la simulazione del fenomeno del fouling negli scambiatori di calore. Viene utilizzato un modello multifase lagrangiano e nell'analisi vengono considerati i contatti delle particelle e la meccanica di adesione-rimbalzo. I modelli numerici CFD implementati dimostrano di prevedere con precisione i risultati ottenuti sia con misurazioni su casi di test reali che con correlazioni teoriche.