Contribution to Advanced Waste Heat Recovery Techiques on Ship's Propulsion Plants

Abstract

[Abstract] This thesis explores the potential of low and medium grade heat in different thermodynamic cycles u sed to convert wasted heat into mechanical work. The aim of this thesis is to study the state of the art of the thermodynamic cycles used to recover low-grade heat and suggest improvements. The relevance of researching low grade heat or waste heat applications is that a vast amount of heat energy is available at negligible cost within the range of medium and low temperatures, with the drawback that existing thermal cycles cannot make efficient use of such available low temperature heat dueto their low efficiency. The present thesis offers a different approach, analyses low-grade heat recovery from a thermodynamic point of view, and compares their thermal efficiency. ORC and Rankine cycles reviewed show similar low efficiencies. In contrast, closed-based, non-condensing cycles, that exchange heat at constant volume and convert thermal energy into mechanical work adiabatically, have a configuration, which allows efficient exploitation of low-grade heat. Heat recovery strategies are also analysed and several non-conventional systems are recommended to exploit low grade heat in the proposed machine. Two relevant factors exert a strong influence over the criterion to decide the structure of marine propulsion plants: • The reduction of the fuel consumption which undergoes increasing the thermal efficiency of the associated thermal engines. • The emission of carbon dioxide dueto fossil fuels consumption 0n the one hand the emissions of carbon dioxide from the combustion of fossil fuels used in marine propulsion plants and its associated power plants are a concern and it is due to the environmental impacts originated by greenhouse gas emissions, which contributes to modifying the composition of the atmosphere in an exaggerated negative sen se. Such harmful methods can be replaced by alternative design strategies or at least could be mitigated by means of the reduction of carbon dioxide emissions, which could be achieved by changing strategies of technology design and operational methodologies. The available heat recovery technology that can be used on Waste Heat Recovery Systems (WHRS) of medium or lowgrade is one such a means that is technologically capable of decreasing carbon dioxide emissions as well as to reduce the fuel composition significantly. This is dueto the fact that it is possible a significant improvement on the marine propulsion systems efficiency. Since it contributes to the reduction of fossil fuels consumption of the marine transport sector in general. The mentioned improvement can be carried out by harnessing the waste heat energy ex ha usted and / or rejected by the propulsion system and its associated auxiliary engines. The conventional technology so far opted for the harnessing of the exhaust flue gases, sin ce lower temperature heat could not be used. Conventionally the state-of-the-art technology in this field uses advanced Organic Rankine Cycle (ORC) under several combinational structures as one among sorne different WHRS technologies that are being used for the harnessing of the medium and / or low-grade heat wasted by the propulsion system that cannot be utilized by the propulsion engines by themselves. On the other hand, the reduction of the fuel consumption which mea ns increasing the thermal efficiency undergoing the reduction of carbon dioxide emissions, must be improved as much as possible based in that this criterion is sufficiently relevant to undertake the developmen1 of technologies aimed at improving the thermal efficiency of the thermal engines u sed so far Nevertheless, in this thesis a new paradigm of WHRS is investigated aiming to increasin¡ thermal efficiency which undergoes reducing fossil fuel consumption and carbon dioxidE emissions. These improvements are associated with the following contributions proposed and carriec out in this thesis: • Low temperature heat recovery by means of designing a recovery structure able te recover residual heat of medium and low temperatures rejected by now, coming frorr exhaust gases, scavenge or air cooler, jacket cooler, and lube oil cooler. • More efficient thermal engines by means of designing, analysing and conducting ; proof of concept of thermal cycles based on closed processes operating by adding arn extracting heat undergoing an innovative heat-work interaction mode.

Furthermore, the proposed thermal engines are characterised by a thermal cycle physica\ly possible to be made composed of two closed isochoric processes consisting of adding and extracting heat to / from the Working Fluid (WF) and two closed adiabatic processes which undergoes useful mechanical work, consisting respective\y of closed adiabatic expansion and closed adiabatic contraction-based compression of the WF. The main results are: • A power architecture capa ble of converting low-grade heat into mechanica\ work with a heat utilisation factor higher than any availab\e or theoretica\ technology. • A thermal cycle surpassing any other cycle for \ow-grade heat in terms of efficiency and heat utilisation factor.

[Résumé] Cette these explore le potentiel de la chaleur de faible et moyenne qualité dans différ, cycles thermodynamiques utilisés pour convertir la chaleur perdue en travail mécani, L'objectif de cette these est d'étudier l'état de l'art des cycles thermodynamiques utilisés r récupérer la chaleur debas grade et proposer des améliorations. La pertinence de la recherche d'applications de chaleur a faible température ou de cha résiduelle est qu'une grande quantité d'énergie thermique est disponible a un , négligeable dans la plage de températures moyennes et basses, avec l'inconvénient qui cycles thermiques existants ne peuvent pas utiliser efficacement cette chaleur a b température disponible en raison de leur faible efficacité. La présente these propase une approche différente, analyse la récupération de chale faible grade d'un point de vue thermique thermodynamique et compare leur effic, thermique. Les cycles ORC et Rankine examinés montrent des efficacités faibles similaire revanche, les cycles fermés, sans condensation, qui échangent de la chaleur a volume con~ et convertissent l'énergie thermique en travail mécanique de maniere adiabatique, ont configuration qui permet une exploitation efficace de la chaleur de faible qualité. stratégies de récupération de chaleur thermique sont également analysées et plusi systemes non conventionnels sont proposés pour exploiter la chaleur de faible qualité da machine proposée. Deux facteurs pertinents exercent une forte influence sur le critere pour décider e structure des installations de propulsion marines: • La réduction de la consommation de carburant qui subit l'augmentation de l'effic thermique des moteurs thermiques associés. • L'émission de dioxyde de carbone due a la consommation de combustibles fossiles D'une part, les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion de combust fossiles utilisés dans les centrales de propulsion marines et les centrales électriques asso sont une préoccupation pour les populations du monde entier et cela est dQ aux im1 X environnementaux engendrés par ces émissions de gaz a effet de serre, ce qui contribue a modifíer la composition de l'atmosphere dans un sens négatif exagéré. Ainsi, les méthodes nocives peuvent étre remplacées par des stratégies de conception alternatives ou au moins pourraient étre atténuées par la réduction des émissions de dioxyde de carbone, ce qui pourrait étre réalisé en modifíant les stratégies de conception technologique et les méthodologies opérationnelles. La technologie de récupération de chaleur disponible qui peut étre utilísée sur les systemes de récupération de chaleur résiduelle (WHRS) de qualité moyenne ou faible est un de ces moyens qui est technologiquement capable de réduire les émissions de dioxyde de carbone ainsi que de réduire considérablement la consommation du combustible. Ceci obéit au fait qu'il est possible une amélioration signifícative de l'efficacité des systemes de propulsion marine puisqu'elle contribue a la réduction de la consommation de combustibles fossiles du secteur du transport maritime en général. L'amélíoration mentionnée peut étre réalisée en exploitant l'énergie thermique perdue épuisée et / ou rejetée par le systeme de propulsion et ses moteurs auxiliaires associés. La technologie conventionnelle a jusqu'a présent opté pour la récupération des gaz de combustion, car la chaleur a basse température ne pouvait pas étre utilisée. Conventionnellement, la technologie de pointe dans ce domaine utilise le cycle organique avancé de Rankine (ORC) sous plusieurs structures combinatoires comme l'une des différentes technologies WHRS qui sont utilísées pour exploiter les pertes de chaleur de moyenne et/ ou de faible qualité par le systeme de propulsion qui ne peut pas étre utilísé par les moteurs de propulsion par lui-méme. En revanche, la réduction de la consommation de carburant, c'est-a-dire l'augmentation de l'effícacité thermique subissant la réduction des émissions de dioxyde de carbone, doit étre améliorée autant que possible en se fondant sur le fait que ce critere est suffisamment pertinent pour entreprendre le développement de technologies visant a améliorer l'efficacité thermique des moteurs thermiques utilísés jusqu'a présent. Néanmoins, dans cette these, il est étudié un nouveau paradigme de WHRS visant a augmenter l'efficacité thermique qui subit une réduction de la consommation de combustibles fossiles et des émissions de dioxyde de carbone. xi Ces améliorations sont associées aux contributions suivantes proposées et réalisées cette these: • Récupération de chaleur a basse température grace a la conception d'une structur récupération capa ble de récupérer la chaleur résiduelle des températures moyennes et b, rejetées jusqu'a présent, provenant des gaz d'échappement, du refroidisseur d'ai combustion, du refroidisseur d'eau du moteur et du refroidisseur d'huile de lubrificatior • Moteurs thermiques plus efficaces grace a la conception, l'analyse et la réalisation validation de príncipe des cycles thermiques basés sur des processus fermés fonctionnar ajout et extraction de chaleur subissant un mode innovant d'interaction chaleur-travail. De plus, les moteurs thermiques proposés sont caractérisés par un cycle thern physiquement réalisable compasé de deux processus isochoriques fermés consistant a aj et extraire de la chaleur vers / depuis le fluid e de travail et deux processus adiabatíques fE qui subíssent un travaíl mécanique utile, consístant respectívement en une expa adiabatíque fermée et compressíon adíabatíque fermée basée sur la contraction du fluí travail. Les principaux résultats sont : • Une archítecture de puíssance capable de convertir la chaleur de faible qualité en 1 mécaníque avec un facteur d'utilísation supéríeur a toute technologíe dísponib théorique. • Un cycle thermique surpassant tout autre cycle de chaleur de faible qualíté en t, d'efficacíté et de facteur d'utílisatíon.

[Resumo] Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituír por VII Resumo Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituir por vii estratexias de deseño alternativo ou polo menos poderíanse paliar mediante a redución emisións de dióxido de carbono, que se poderían conseguir cambiando as estratexia, deseño de tecnoloxía e metodoloxías operativas. A tecnoloxía de recuperación de dispoñible que se pode empregar para sistemas de recuperación de calor residual (WHR'. grao medio ou baixo é un tal medio que é tecnoloxicamente capaz de diminuir as emisiór dióxido de carbono, así como de reducir significativamente o consumo de combustible. obedece a que é posible unha mellara significativa da eficiencia dos sistemas de propu mariña xa que contribúe á redución do consumo de combustibles fósiles do secta transporte marítimo en xeral. A mellara mencionada pódese aproveitar usando a calor residual esgotada e/ ou rexei polo sistema de propulsión e os seus motores auxiliares asociados. A tecnoloxía convenc ata o de agora optaba polo aproveitamento dos gases de combustión do escape, xa quE se podía usar calor a temperatura máis baixa. Convencionalmente, a tecnoloxía de punta neste campo usa ORC avanzados en " estruturas combinativas como unha das diferentes tecnoloxías WHRS que se , empregando para o aproveitamento de calor de medio e/ ou baixo grao residual polo sis de propulsión que non pode ser empregado polos propulsores. Por outra banda, a redución do consumo de combustible, que significa aumentar a efici térmica sometida á redución das emisións de dióxido de carbono, debe mellorarse na m do posible, baseado en que este criterio é o suficientemente relevante como para empr, o desenvolvemento de tecnoloxías dirixidas a mellorando a eficiencia térmica dos me térmicos empregados ata o de agora. Non obstante, nesta tese investígase un novo paradigma de WHR co obxectivo de aurr a eficiencia térmica que se reduce o consumo de combustibles fósiles e as emisións de di de carbono. Estas mellaras están asociadas ás seguintes contribucións propostas e realizadas nesta • Recuperación de calor de baixa temperatura mediante o deseño dunha estrut1 recuperación capaz de recuperar a calor residual de temperaturas medias e rexeitadas ata o momento, procedentes de gases de escape, refrixerador de 2 viii admisión, refrixerador de auga de camisas, e refrixerador de aceite de lubricación. • Motores térmicos máis eficientes mediante o deseño de análise e realización dunha proba de concepto de ciclos térmicos baseados en procesos pechados que accionan engadindo e extraendo calor sometido a un modo de interacción calor-traballo innovador. Ademais, os motores térmicos propostos caracterizanse por un ciclo térmico realizable físicamente composto por dous procesos isocóricos pechados consistentes na adición e extracción de calor cara / dende o fluido de traballo e dous procesos adiabáticos pechados que provocan un traballo mecánico útil, consistente respectivamente por unha expansión adiabática pechada e compresión adiabática pechada a base de contracción do fluido de traballo. Os principais resultados son: • Unha arquitectura de potencia capaz de converter a calor de baixo grao en traballo mecánico cun factor de utilización superior a calquera tecnoloxia dispoñible ou teórica. • Un ciclo térmico que supera calquera outro ciclo para calor de baixo grao en termos de eficiencia e factor de utilización.

[Resumen] Esta tesis explora el potencial del calor de grado bajo y medio en diferentes ciclos termodinámicos utilizados para convertir el calor residual en trabajo mecánico. El objetivo esta tesis es estudiar el estado del arte de los ciclos termodinámicos utilizados para recuperar calor de bajo grado y proponer mejoras. La relevancia de investigar aplicaciones de calor de baja calidad o calor residual es que disponible una gran cantidad de energía térmica a un costo insignificante dentro del rango temperaturas medias y bajas, con el inconveniente de que los ciclos térmicos existentes pueden hacer un uso eficiente de dicho calor disponible a baja temperatura, debido a su eficiencia. La presente tesis ofrece un enfoque diferente y analiza la recuperación de calor de bajo grado desde un punto de vista termodinámico, comparando su eficiencia de conversión. Los Ciclos Rankine Orgánico (ORCs) revisados muestran eficiencias similares. Por el contrario, los ciclos presentados en esta tesis, cerrados, sin condensación, que intercambian calor a volumen constante y convierten la energía térmica en trabajo mecánico adiabáticamente, tienen configuración que permite la explotación eficiente del calor de bajo grado. También se analizan las estrategias de recuperación de calor y se proponen varios sistemas no convencionales para explotar el calor de bajo grado en la máquina propuesta. Dos factores relevantes ejercen una fuerte influencia en el criterio para decidir la estructura de las plantas de propulsión marina: • La reducción del consumo de combustible que experimenta al aumentar la eficiencia térmica de los motores térmicos asociados. • La emisión de dióxido de carbono debido al consumo de combustibles fósiles Por un lado, las emisiones de dióxido de carbono de la combustión de combustibles fósiles utilizados en plantas de propulsión marina y sus plantas de potencia asociadas son una preocupación debido a los impactos ambientales originados por tales emisiones de gas efecto invernadero, lo que contribuye a modificar la composición de la atmósfera , sentido muy negativo. Por lo tanto, estos sistemas nocivos pueden reemplazarse por

estrategias de diseño alternativas, o al menos podrían mitigarse mediante la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, lo que podría lograrse cambiando las estrategias de diseño tecnológico y metodologías operativas. La tecnología de recuperación de calor que se puede utilizar en sistemas de recuperación de calor residual (WHRS) de grado medio o bajo es uno de los medios capaces de disminuir las emisiones de dióxido de carbono y de reducir significativamente el consumo de combustible. Esto obedece al hecho de que es posible una mejora significativa en la eficiencia de los sistemas de propulsión marina, ya que contribuye a la reducción del consumo de combustibles fósiles del sector del transporte marítimo en general. La mejora mencionada se puede lograr aprovechando la energía calorífica residual agotada y/ o rechazada por el sistema de propulsión y sus motores auxiliares asociados. La tecnología convencional hasta ahora optó por el aprovechamiento parcial de los gases de escape, ya que no se pudo utilizar calor a temperaturas más bajas. Convencionalmente, la tecnología de vanguardia en este campo utiliza ORCs avanzados bajo varias estructuras de ciclo combinado como una entre algunos de los sistemas de recuperación de calor residual (WHRS) diferentes que se están utilizando para el aprovechamiento del calor de grado medio y/ o bajo que se desperdicia por el sistema de propulsión que no puede ser utilizado por los motores de propulsión. Por otro lado, la reducción del consumo de combustible, lo que significa aumentar la eficiencia térmica, provoca la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Esto debe mejorarse tanto como sea posible, ya que este criterio es lo suficientemente relevante como para emprender el desarrollo de tecnologías destinadas a mejorar la eficiencia térmica de los motores térmicos utilizados hasta ahora. Sin embargo, en esta tesis se investiga un nuevo paradigma de WHRS con el objetivo de aumentar la eficiencia térmica lo cual hace que se reduzca el consumo de combustibles fósiles y las emisiones de dióxido de carbono. Estas mejoras están asociadas con las siguientes contribuciones propuestas y realizadas en esta tesis: • Recuperación de calor de más baja temperatura mediante el diseño de una estructura de recuperación capaz de recuperar el calor residual de las temperaturas medias y V bajas rechazadas hasta ahora, provenientes de gases de escape, enfriadores de aire admisión, enfriadores de agua de camisas y enfriadores de aceite lubricante. • Motores térmicos más eficientes mediante el diseño de análisis y realización de prueba de concepto de ciclos térmicos basados en procesos cerrados que funcionan con interacciones que expanden y contraen el fluido de trabajo generando trabajo Además, los motores térmicos propuestos se caracterizan por un ciclo térmico físicamente realizable compuesto por dos procesos isocóricos cerrados que consisten en agregar y extraer calor hacia/ desde el fluido de trabajo y dos procesos adiabáticos cerrados que convierte energía térmica en trabajo mecánico útil, que consiste respectivamente en expansión adiabática cerrada y contracción adiabática cerrada. Los principales resultados son: • Un sistema energético capaz de convertir calor de bajo grado en trabajo mecánico un factor de utilización más alto que cualquier tecnología disponible tanto comercialmente como en el campo teórico o académico. • Un ciclo térmico que supera cualquier otro ciclo usado para calor de bajo grado en términos de eficiencia y factor de utilización.