Experimental investigation of thermal stability of siloxanes for ORC applications

Organic Rankine cycles (ORCs) are Rankine cycles that use an organic compound as working fluid. In recent years, ORC gained a relevant role in power production from low to medium temperature sources and for low to medium power applications, especially when a high reliability is required. ORC cycles achieve good efficiency and reasonable cost for low/medium power application. In this case despite the turbine efficiency is around 80/85%, due to low speed of sound and to real gas effects, it is higher than the corresponding efficiency of low power steam cycle (around 75%). On the other hand, a drawback of ORCs is that organic compounds tend to decompose above a certain temperature known as stability limit. The knowledge of thermal stability limit is very important in order to choose the more suitable working fluid and to avoid a decrease in plant efficiency or, even worse, damaging phenomena. Each organic compound has its own stability limit that depends on temperature, on time and on the presence of water, air, metals, lubricants and contaminants in the plant. A novel test-rig for studying thermal stability of fluids for ORC applications was designed and commissioned at the CREALab of Politecnico di Milano, in collaboration with the University of Brescia. The novelty of the set-up is the possibility of taking samples of both liquid and vapor phases of the fluid, a capability that was introduced to study thermal decomposition of mixtures as well as to capture the more volatile products of thermal decomposition of pure fluids and mixtures. In this work two fluids have been analyzed: the Octamethyltrisiloxane (MDM) and the Hexamethyldisiloxane (MM).

Negli ultimi anni l’interesse per gli ORCs, Organic Rankine Cycles, è notevolmente aumentato. Gli ORCs sono dei cicli Rankine che usano come fluido di lavoro un composto organico invece di acqua; essi sono particolarmente convenienti nelle applicazioni per la produzione di potenze medio/basse dove presentano una buona efficienza e un costo contenuto. In queste applicazioni, infatti, l’efficienza della turbina arriva al 80/85% mentre nel caso di una turbina di un ciclo Rankine tradizionale l’efficienza non supererebbe il 75%. L’applicabilità degli ORCs è però limitata dalla tendenza dei composti organici a decomporsi superato un valore di temperatura, chiamato limite di stabilità termica. Ogni fluido organico ha il suo proprio limite di stabilità termica e la sua conoscenza è fondamentale per evitare che il fluido si decomponga all’interno dell’impianto provocando una diminuzione dell’efficienza e/o peggio danni e fermi impianto. Il meccanismo di decomposizione dei composti organici è molto complicato e dipende da numerosi fattori come la temperatura, il tempo di permanenza, i materiali con cui il fluido viene a contatto e la presenza di acqua, aria e lubrificanti. All’interno dell’attività di ricerca del CREALab (Politecnico di Milano) in collaborazione con l’Università di Brescia si è deciso di costruire un impianto per lo studio della stabilità termica in grado di testare un’ampia gamma di fluidi e di miscele. Inoltre grazie ad un particolare layout è possibile, al termine dei test, estrarre sia la fase liquida sia quella vapore. In questo modo le analisi chimiche possono essere effettuate su entrambe le fasi garantendo una completa comprensione del meccanismo di decomposizione. Durante l’attività sperimentale sono stati analizzati due silossani lineari, l’ottametiltrisilossano (MDM) e l’esametildisilossano (MM), ampiamente utilizzati nei cicli ORC.