I industrin går runt 20-50% av energitillförseln förlorad i form av överskottsvärme. Strängare miljörestriktioner samt incitament till högre ekonomisk lönsamhet leder till en utveckling av tekniken för att öka återvinning och nyttiggörande av denna överskottsvärme.

Valmet AB är ett företag som tillhandahåller anläggningar för bl.a. annat pappers- och kartongprodukter. De är intresserade av att undersöka möjligheten att öka energieffektiviteten för användning av återvunnen överskottsvärme från mjukpapperstillverkningen, där spillvärmen representeras av våta rökgaser som kommer från torkutrustningen.

Syftet med studien är att undersöka spillvärmen och hur den kan användas för elproduktion med en Organisk Rankinecykeln. Värmeåtervinningspotentialen i rökgaserna och det ideala arbetet ställdes mot det faktiska arbetet som gick att få ut med den Organiska Rankinecykeln. Modellering och design utfördes med simuleringsverktyget ChemCad, där en förenklad modell användes som inte beräknar komponenternas storlekar och kostnader. Fokus är istället på termodynamiska beteenden där utvunnet arbete och verkningsgrader används för att mäta prestandan.  

Simuleringar utfördes med avseende på tre olika driftfall med spillvärme med olika fuktinnehåll. För den Organiska Rankinecykeln undersöktes sex olika arbetsmedium; Butan, Isobutan, R123, R236EA, R245ca och R245fa.

Studien visade att en stor värmeåtervinningspotential finns hos våta rökgaser i form av latent värme. Driftfall med högre fukthalt resulterade i att den latenta värmen kunde tas till vara vid högre temperaturer. Högre fukthalt gav även upphov till en högre prestanda i den Organiska Rankinecykeln. Vid latent värmeåtervinning påvisade även cykeln högst prestanda, med Isobutan som bästa arbetsmedium, som även var den miljövänligaste fluiden.

Pinchtemperaturen mellan spillvärmen och arbetsmediumet vid värmeutbytet visade sig vara en parameter med inflytande på cykelns prestanda, där en ökning av pinchtemperaturen med 15 ˚C leder till en minskning av cykelns nettoarbete med 38 %.  Vidare studier där hänsyn tas till fysiska och ekonomiska begränsningar hade därför behövts ställas mot cykelns tekniska resultat för att utvärdera prestandan.  

In industry, around 20-50% of the energy supply is lost in the form of surplus heat. Stricter environmental restrictions and incentives for higher economic profitability lead to the development of technology to increase recovery of this excess heat.

Valmet AB is a company that provides facilities including paper and cardboard products. They are interested in investigating the possibility of increasing energy efficiency for the use of recovered surplus heat from tissue production, where the waste heat was represents by wet flue gases coming from the drying equipment.

The purpose of the study is to investigate the waste heat and how it is used for electricity production with an Organic Rankin Cycle. The heat recovery potential in the flue gases and the ideal work was set against the actual work that could be achieved with the Organic Rankin Cycle. Modeling and design was performed using the ChemCad simulation tool, using a simplified model that does not calculate the components sizes and costs. The focus is instead on thermodynamic behaviors, in which extracted work and efficiencies are used to measure performance.

Simulations were performed with respect to three different operating instances with waste heat with different moisture content. For the Organic Rankine Cycle, six different working media were investigated; Butane, Isobutan, R123, R236EA, R245ca and R245fa.

The study showed that a large heat recovery potential exists in wet flue gases in the form of latent heat. Operating conditions with higher moisture content resulted in latent heat being recovered at higher temperatures. Higher moisture content also resulted to a higher performance in the Organic Rankin Cycle. In latent heat recovery, the ORC also demonstrated highest performance, with Isobutan as the best working medium, which was also the most environmentally friendly.

The pinch temperature between the waste heat and the working medium was found to be a parameter influencing the performance of the ORC, where an increase of the pinch of 15˚C leads to a reduction of the ORC net production by 38%. Further studies taking into account physical and economic constraints needs to be set against the technical results of the cycle to evaluate the ORC performance.