Multiobjective Optimization of a Plate Heat Exchanger in aWaste Heat Recovery Organic Rankine Cycle System for Natural Gas Engines

Este trabajo presenta un modelo para optimizar un intercambiador de calor de placas paralelo (ITC2), que corresponde al evaporador de un circuito térmico secundario, a través del enfoque NSGA-II.  Los resultados encontraron que, al aplicar la metodología propuesta para el diseño de este evaporador mediante la optimización multiobjetivo y la selección de la mejor configuración de las cinco soluciones posibles a través del método TOPSIS, el punto D fue la mejor solución según los criterios establecidos. Era posible minimizar el número de generación de entropía (ESN = 0,058) y el coste de adquisición del equipo (USD 10.385,55), con un ángulo de inclinación (20,44), altura de la placa (2070,32 mm), anchura de la placa
(205,16 mm), longitud entre placas (800,49 mm) y área de transferencia de calor de 22,04 m2. Esto garantiza que el calor transferido del aceite térmico (Therminol 75) al tolueno es de 693,87 kW. La eficiencia motriz del ciclo ORC es del 41,6%, y la caída de presión es de 980,32 mbar, que se encuentra dentro de los límites del margen de contrapresión admisible del motor.
Esta metodología propuesta puede aplicarse a la optimización termodinámica y económica de intercambiadores de calor de placas en cualquier tipo de sistema de recuperación de calor con evaporación indirecta de la materia orgánica fluido. Esta metodología es siempre más relevante para los casos en los que hay limitaciones en la fuente de calor. contrapresión, como los motores industriales con temperaturas medias y altas de los gases de escape, y es aplicable en los casos en que la tecnología ORC no haya sido ampliamente aplicada comercialmente.

Abstract: A multiobjective optimization of an organic Rankine cycle (ORC) evaporator, operating with toluene as the working fluid, is presented in this paper for waste heat recovery (WHR) from the exhaust gases of a 2 MW Jenbacher JMS 612 GS-N.L. gas internal combustion engine. Indirect evaporation between the exhaust gas and the organic fluid in the parallel plate heat exchanger (ITC2) implied irreversible heat transfer and high investment costs, which were considered as objective functions to be minimized. Energy and exergy balances were applied to the system components, in addition to the phenomenological equations in the ITC2, to calculate global energy indicators, such as the thermal efficiency of the configuration, the heat recovery effciency, the overall energy conversion effciency, the absolute increase of engine thermal efficiency, and the reduction of the break-specific fuel consumption of the system, of the system integrated with the gas engine. The results allowed calculation of the plate spacing, plate height, plate width, and chevron angle that minimized the investment cost and entropy generation of the equipment, reaching 22.04 m2 in the heat transfer area, 693.87 kW in the energy transfer by heat recovery from the exhaust gas, and 41.6% in the overall thermal ecfficiency of the ORC as a bottoming cycle for the engine. This type of result contributes to the inclusion of this technology in the industrial sector as a consequence of the improvement in thermal efficiency and economic viability.