Ottimizzazione di cicli ORC per il recupero termico da motori a combustione interna di grande taglia : fluidi puri vs. miscele

Il lavoro di tesi consiste nell’ottimizzazione di cicli ORC per il recupero di calore da motori a combustione interna di grande taglia. L’analisi non si limita all’ottimizzazione delle variabili del ciclo termodinamico (pressioni e temperature) ma include anche la scelta del fluido di lavoro. Oltre ai fluidi puri recentemente sviluppati, come HCFO-1233zd(E) e HFO-1336mz(Z), sono state considerate anche miscele zeotropiche binarie in virtù dei vantaggi termodinamici che potrebbero avere grazie al glide termico in cambio di fase. L’ottimizzazione della scelta del fluido e del ciclo ORC è stata ripetuta per due motori navali di architettura differente da circa 10 MW ciascuno, uno a 2 tempi con temperatura dei fumi di scarico di circa 250°C ed uno a 4 tempi con temperatura dei fumi di circa 350°C. Per ciascun motore sono stati valutati due possibili assetti di ciclo ORC: uno per la sola generazione di energia elettrica (assetto solo elettrico), l’altro cogenerativo in cui si produce anche acqua calda a 80°C. L’ottimizzazione delle variabili del ciclo (pressioni e temperature) e la composizione delle miscele è stata svolta mediante un algoritmo sviluppato ad hoc che combina PGS-COM, un algoritmo evolutivo di ottimizzazione, con un codice di integrazione termica (Pinch Analysis). L’ottimizzazione del problema di integrazione termica tra i flussi caldi e freddi è necessaria per massimizzare il recupero di calore dalle sorgenti disponibili, quali fumi, aria di sovralimentazione, acqua di raffreddamento del motore e rigeneratore del ciclo. Dai risultati ottenuti emerge che i cicli più performanti sono supercritici e operanti con fluidi isoentropici o debolmente secchi, in particolare il motore 2 tempi si accoppia bene con alcuni refrigeranti (HCFO-1233zde in primis), mentre il motore 4 tempi si abbina bene in particolar modo con il ciclopentano ed anche con HCFO-1233zde. Le miscele seguono lo stesso trend: quelle a base di HCFO-1233zde e di ciclopentano raggiungono le prestazioni maggiori. L’adozione delle miscele ha sempre consentito di aumentare le prestazioni, in alcuni casi in maniera più apprezzabile di altri. Nel caso migliore il rendimento exergetico del ciclo ORC ottimizzato sale di circa 3 punti percentuali, mentre nel caso peggiore solamente di circa 0.3 punti percentuali. L’aumento di potenza elettrica prodotta oscilla invece tra 9.88 % e 0.72 %, rispettivamente nel caso migliore e peggiore.