A literature survey of positive-displacement machines for two-phase expansion

This work aims at analysing and describing the positive displacement machine technology for two-phase expansion. This recent technology, whose early theoretical and empirical studies date back to the ‘70s, has a compared significant feature to the traditional expanders: in fact, these expanders are able to work with chemical species in the liquid or wet vapor phase in order to convert thermodynamic energy in mechanical or electric energy, by means of simultaneous expansion of the two phases, associated to liquid or vapor. Firstly, thermodynamic cycles where the technology can be employed are briefly described and presented. Successively the main types of positive displacement expanders for two-phase fluids in the scientific literature are analysed. Principle of operation and main features are described, along with technology development, issues and performance which are presented for each type of expander. In conclusion, through expanders performances and characteristics comparison, the best types of expanders for a specific application are suggested, in view to facilitate the proper selection.

Questo lavoro si propone di analizzare e descrivere la tecnologia degli espansori volumetrici per l’espansione di fluidi in condizioni bifase. Questa recente tecnologia, i cui primi studi teorici ed empirici risalgono agli anni ‘70, ha una sostanziale caratteristica rispetto ai tradizionali espansori: gli espansori volumetrici per fluidi bifase infatti, sono in grado di lavorare con fluidi in condizione di liquido o vapore umido convertendo l’energia termodinamica del fluido di lavoro in energia meccanica o elettrica, mediante l’espansione simultanea delle due fasi, liquida e vapore. In primo luogo sono presentati e descritti brevemente i cicli termodinamici in cui la tecnologia può essere impiegata. Successivamente vengono analizzate le principali tipologie di espansori volumetrici per fluidi bifase presenti in letteratura scientifica. Vengono descritti i principi di funzionamento e le principali caratteristiche, insieme agli sviluppi tecnologici, alle problematiche e alle prestazioni per ogni tipologia di espansore. In conclusione attraverso il confronto tra le prestazioni e le caratteristiche degli espansori, vengono suggerite le migliori tipologie di espansori per le specifiche applicazioni, al fine di facilitarne la corretta selezione.