RICERCA ITALIANA     

Sviluppo di tecniche di misura e di metodi di simulazione numerica per il flusso in regime di gas denso in turbine di cicli Rankine a fluido organico

Università degli Studi di Brescia

Abstract

I sistemi di conversione dell'energia basati su cicli Rankine a fluido organico (ORC) sono simili ai tradizionali impianti a vapore di grande potenza, ma utilizzano un fluido organico al posto del vapore. Questi impianti risultano essere particolarmente adatti alla realizzazione di sistemi per la generazione distribuita di potenza che sfruttano fonti di calore sostenibili, come la combustione delle biomasse, lo sfruttamento di bacini geotermici, l'utilizzo dell'energia solare e il recupero del calore di scarto di processi industriali. Scegliendo opportunamente il fluido di lavoro, è infatti possibile ottenere un buon rendimento termodinamico del ciclo e un dimensionamento ottimale della turbina, sia in termini di dimensioni che di numero di giri, per sorgenti di calore a temperature intermedie e per potenze che variano da pochi kW a qualche MW.

L'obbiettivo di questo progetto di ricerca è quello di sviluppare tecniche di misura e di simulazione numerica per lo studio del flusso nelle turbine utilizzate in impianti ORC. Per il tipo di fluido utilizzato e per le condizioni termodinamiche in cui avviene l'espansione, infatti, il flusso nelle turbine ORC avviene nel cosiddetto ``regime di gas denso'', per il quale gli effetti di gas reale sono molto significativi e i numeri di Mach sono tendenzialmente elevati a causa del basso valore della velocità del suono. Il campo di moto nelle turbine ORC è quindi caratterizzato dalla >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Stefano Rebay Università degli Studi di BRESCIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'attività di ricerca di questo progetto riguarda lo sviluppo tecniche di misura e di simulazione numerica per lo studio del flusso nelle turbine utilizzate in impianti ORC. Per il tipo di fluido utilizzato e per le condizioni termodinamiche in cui avviene l'espansione, infatti, il flusso nelle turbine ORC avviene nel cosiddetto ``regime di gas denso'', per il quale gli effetti di gas reale sono molto significativi e i numeri di Mach sono tendenzialmente elevati a causa del basso valore della velocità del suono. Il campo di moto nelle turbine ORC è quindi caratterizzato dalla presenza di complessi flussi transonici/supersonici con importanti effetti dissipativi legati alla presenza di onde d'urto, ed è quindi di difficile previsione anche a causa delle incertezze con cui si conoscono le proprietà termodinamiche e di trasporto del fluido. Per questi motivi, la conoscenza del flusso nelle turbine ORC è tuttora abbastanza limitata.

L'obbiettivo finale di questo progetto di ricerca è quindi quello di ampliare le conoscenze di base del flusso nelle turbine ORC. I risultati di questi studi potrebbero portare, in modo analogo a quanto è avvenuto nel campo delle turbine a vapore e a gas, a un miglioramento significativo delle prestazioni di queste macchine e, conseguentemente, del rendimento di conversione dell'energia degli impianti ORC. La diffusione degli impianto ORC si stà sviluppando velocemente ma è in qualche modo limitata da >>>

Risultati parziali attesi

Risultati attesi dalla ricerca

Sinteticamente, i risultati che si prevede di raggiungere entro la fine di questo progetto riguardano lo sviluppo di metodologie, sia di tipo sperimentale che numerico, per l'analisi del flusso in turbine ORC; la realizzazione di sonde per la misura del flusso in turbine ORC; la caratterizzazione, sia di tipo sperimentale che numerica, del flusso in regime di gas denso in ugelli e la validazione delle simulazioni con i risultati sperimentali; lo studio per mezzo della simulazione numerica del flusso di fluidi puri e di miscele di fluidi in turbine ORC. Più in particolare,

1) Verranno sviluppate delle innovative sonde di misura di tipo pneumatico combinate a sonde di temperatura per lo studio di flussi in regime di gas denso in turbine ORC, e si svilupperà una metodologia di taratura di tali sonde per il caso di flussi in regime di gas denso.

2) Si studierà il flusso in un ugello rappresentativo, sia per quanto riguarda la geometria che per le condzioni di flusso, di un reale ugello di turbina ORC. Lo studio verrà effettuato sia per via sperimentale che per mezzo della simulazione numerica.

3) Verrà sviluppato e validato con i risultati sperimentali un programma per la simulazione di flussi 3D viscosi e turbolenti in grado di trattare fluidi con modelli complessi per il calcolo delle proprietà termodinamiche di trasporto sia per fluidi puri che per miscele di fluidi. Entro la fine >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La ricerca scientifica e tecnologica relativa allo studio di sistemi per la generazione distribuita o centralizzata di energia elettrica in grado di sfruttare fonti di energia rinnovabili e a bassa (o nulla) emissione di gas ad effetto serra ha visto negli ultimi anni una repentina accelerazione. Tra queste, sono di particolare interesse in vista di un loro utilizzo su territorio italiano l'energia geotermica e quella solare. Nel caso di quest'ultima, esiste la possibilità di conversione diretta in energia elettrica attraverso l'impiego di pannelli fotovoltaici, che sono però di uso limitato a causa del costo elevato e del rendimento modesto. Per aumentare il rendimento di conversione energetica, si deve ricorrere a sistemi di tipo termodinamico, in cui la potenza solare viene utilizzata per scaldare un fluido di lavoro che viene poi sfruttato opportunamente, ad esempio in un motore di tipo Stirling o in un impianto che utilizza il ciclo Rankine. Un esempio, in questo caso basato su motori Stirling, viene dalla California, dove la Stirling Energy Systems ha recentemente siglato contratti per l'installazione di 70,000 impianti nel deserto del Mojave che per lo sfruttamento dell'energia solare.

In questo ambito, i cicli Rankine a fluido organico (Organic Rankine Cycles o ORC) rappresentano una alternativa particolarmente interessante. Questi sistemi sono simili ai tradizionali impianti a vapore ma utilizzano fluidi diversi che >>>