Model of an organic Rankine cycle using nanofluids as working fluid

The organic Rankine cycle (ORC) units have shown to be a preferable and efficient solution in the exploitation of low-grade temperature hot source compared to conventional steam Rankine cycle. One of the critical issue in the design of an ORC power unit is the selection of the working fluid. The porpouse of this work is to present the state-of-art of nanofluid and to test what could be the beneficial effects of using them as working fluid for an ORC unit. Nanofluids have been claimed to have high heat transfer potential, due to their higher thermal conductivity. Therefore in the first part of the thesis, the heat transfer properties, both in single and in two phase, will be investigated; analizing and testing the different correlations so far developed. Moreover, the possible drawbacks of the application of nanofluids are taken in consideration; in particular the increase in the viscosity and consequentially, the increase in the pressure drop. In the second part of the thesis, the application of nanofluids to a multi-objective ORC unit model will be tested by means of a sensitivity analysis, performed using the Monte Carlo simulation. The refrigerants R32, R134a, Isopentane and R123yf will be used as base fluids, while nanoparticles volume concentration of 0.05%, 0.1%, 0.5% and 1.0% will be considered. A relevant reduction of the boiler area, of the order of 15%-18%, is observed for all the base fluids, while a slight decrease in the net power output is found. Finally, a first analysis on the possible reduction of the condenser area is presented.

I cicli organici (ORC) hanno dimostrato di essere una soluzione preferibile ed efficiente nello sfruttamento di diverse sorgenti di calore a media-bassa temperatura rispetto ai convenzionali cicli Rankine. Uno degli elementi critici nella progettazione di un impianto a ciclo organico è la scelta del fluido di lavoro. L'obiettivo di questa tesi è quello di presentare lo state dell'arte sui nanofluidi e di testare e verificare quelli che possano essere i benefici di una loro applicazione come fluido di lavoro all'interno di un'unità ORC. Si ritiene che i nanofluidi possano avere un grande potenziale nello scambio termico, grazie all'elevata conducibilità termica. Per questo motivo la prima parte di questo lavoro è incentrata nello studio delle proprietà di scambio termico sia in fase singola che in stato bifase, analizzando e testando le diverse correlazioni sperimentali sviluppate fino ad ora. Inoltre verranno anche presentati i possibili svantaggi dell'applicazione dei nanofluidi, in particolare dovuti all'aumento della viscosità e di conseguenza a un aumento delle perdite di carico lungo il ciclo di potenza. Nella seconda parte si studierà l'applicazione dei nanofluidi in un modello multi-obiettivo di un ciclo ORC attraverso un'analisi di sensitività condotta attraverso il metodo Monte Carlo. I refrigeranti R32, R134a, Isopentano e R123yf saranno utilizzati come fluidi base, mentre verranno considerate diverse nanoparticelle a concentrazioni volumetriche differenti (0.05%, 0.1%, 0.5% e 1.0%). I risultati mostrano una considerevole riduzione, dell'ordine del 15%-18%, dell'area totale del boiler per tutti i refrigeranti considerati, mentre viene registrata solo una parziale riduzione della potenza elettrica netta. Infine viene presentata una prima analisi sulla riduzione dell' area totale del condensatore.