Analisi sperimentale delle prestazioni di espansori volumetrici a palette integrati in un organic Rankine cycle (ORC)

This thesis show the experimental analysis of an Organic Rankine Cycle (ORC) for waste heat recovery from a big size rotary vane compressor. The working fluid used is R236fa and the power production device is a sliding vane rotary expander. Several tests at different operating conditions were conducted with the aim to evaluate the performance of three different expander prototypes of the same size: expander A with 7 vanes and two rings for control them, expander B with 14 vanes and expander C with 7 vanes and without rings. Results show that expander A allows a limited energy recovery because its performance is affected by the excessive internal loss (maximum expander mechanical power 2,29 kW, expander isentropic efficiency 64,7%, maximum overall efficiency 2,33%). The expander B allows analyzing the effect of a vane volume reduction. Good performance are achieved mainly due to higher maximum pressure, however the mechanical power produced is limited by the reduced flow of working fluid that the expander can process (maximum expander mechanical power 2,57 kW, expander isentropic efficiency 64,1%, maximum overall efficiency 3,80%). The expander C show the best energy recovery (maximum expander mechanical power 3,23 kW, expander isentropic efficiency 54,8%, maximum overall efficiency 3,84%). The second law analysis shows a good recovery despite the low temperatures (around 90 ° C) of the heat source. The process of expansion for prototype C is analyzed in detail by means of the reconstruction of the indicated diagram using a set of piezoelectric pressure transducers positioned radially on the cover and directly facing the vane. It shows an over-expansion that penalizes the performance. Although there is room for improvement, it has achieved an organic efficiency of 69.76%. From the comparison with other experiences reported in the literature and with the results obtained, it can be concluded that the system has great potential for energy recovery with low levels of temperature.

In questo lavoro si riporta l’analisi sperimentale di un Organic Rankine Cycle (ORC) per il recupero del calore di scarto di un compressore a palette di grande taglia. Vengono utilizzati R236fa come fluido di lavoro e un espansore volumetrico a palette come dispositivo per la produzione di potenza. Sono state condotte numerose prove a diverse condizioni operative con lo scopo di valutare le prestazioni di tre differenti prototipi di espansore della stessa taglia: l’espansore A caratterizzato da 7 cave e due anelli per il controllo delle palette, l’espansore B con 14 cave e l’espansore C con 7 cave e senza anelli. I risultati mostrano che l’espansore A permette un recupero energetico limitato, poiché le sue prestazioni sono compromesse dalle eccessive perdite interne alla macchina (potenza meccanica dell’espansore massima 2,29 kW, rendimento isoentropico dell’espansore 64,7%, rendimento globale massimo 2,33%). L’espansore B permette di analizzare l’influenza della diminuzione dei volumi dei vani. Si ottengono buone prestazioni legate principalmente alla maggiori pressioni massime raggiunte, tuttavia la potenza meccanica prodotta è limitata dalla ridotta portata di fluido di lavoro che l’espansore può elaborare (potenza meccanica dell’espansore massima 2,57 kW, rendimento isoentropico dell’espansore 64,1%, rendimento globale massimo 3,80%). L’espansore C è quello che permette un recupero energetico migliore (potenza meccanica dell’espansore massima 3,23 kW, rendimento isoentropico dell’espansore 54,8%, rendimento globale massimo 3,84%). L’analisi di secondo principio evidenzia un buon recupero nonostante le basse temperature (intorno ai 90°C) della sorgente termica. Per il prototipo C si è analizzato nel dettaglio il processo di espansione mediante la ricostruzione del ciclo indicato ottenuta tramite sonde piezoelettriche posizionate radialmente sul coperchio e direttamente affacciate sui vani. Si evidenzia una sovra-espansione che penalizza le prestazioni. Nonostante ci siano margini per il miglioramento, si è ottenuto un rendimento organico del 69,76%. Dal confronto con altre esperienze riportate in letteratura e con i risultati ottenuti è possibile concludere che il sistema ha un grande potenziale per il recupero energetico con bassi livelli di temperatura.