Non-ideal compressible flows of siloxane vapors : an experimental study of expanding flows for ORC applications

In the present thesis work, an experimental campaign carried out on the TROVA (Test Rig for Organic VApours) located at the CREA Lab (Laboratory of Compressible fluid-dynamics for Renewable Energy Applications) is discussed. It aims at the characterization of an organic fluid expansion across a converging-diverging nozzle simulating the blade channel of a typical turbine employed in Organic Rankine Cycles (ORC).Due to their molecular characteristic (high molecular mass and complexity), these fluids undergoes an expansion in turbine in a thermodynamic region characterized by severe non-ideal effects. In such conditions peculiar flow structures take place, making the fluid behaviour to be different from the well known of the ideal gas. Experimental data in such thermodynamic regions, useful for verifying the equation of state embedded in CFD softwares utilized for turbine blades design, lack in literature. In recent years, organic fluids belonging to the class of siloxanes, has seen and increasing interest and employment in the field of high temperature applications ORC (HT-ORC). Focus of the present thesis work is the measurement techniques adopted used for obtaining experimental data and on their post-processing. In particular, measurement techniques adopted involve pressure transducers and thermocouples, respectively for pressure and temperature measurements. Beside them, Schlieren visualization were performed to see flow structures in the flow as well as giving a independent Mach number measurement. A method for pressure transducers and thermocouples calibration were developed in MATLAB and a study on the Schlieren optical bench were carried out, with the of giving reliabke results and improvement suggestions for the experiment that will follow. During a precedent thesis work, data related to the behaviour of the siloxane octamethyltrisiloxane (MDM) were obtained and used to validate the opensource CFD software SU2. Objective of this work is to obtain such data for the siloxane hexamethyldisiloxane (MM). Since the two fluids belong to the same class, a straightforward comparison by means of the Principle of Corresponding State is possible with a quite high accuracy. This is done to put in evidence the molecular mass and complexity influence of siloxanes on their expansion profile, useful for further research in the field of working fluid selection. A further investigation of turbomachinery interest was carried out. At constat total pressure conditions at nozzle inlet, expansion profiles within the nozzle, with a variation of total inlet temprature are compared. This aims at defining the influence of total temperature variations at an ORC turbine inlet on its performances, in off-design conditions.

In questo lavoro di tesi si discute una compagna sperimentale effettuata presso il CREA Lab (Laboratory of Compressible fluid-dynamics for Renewable Energy Applications), sul TROVA (Test Rig for Organic VApours). Tale campagna vuole caratterizzare l' espansione di un fluido organico, attraverso un ugello convergente-divergente, rappresentate di un canale interpalare di turbine per Cicli Rankine Organici (ORC). Date le loro caratteristiche molecolari, i fluidi organici espandono in turbina in una regione termodinamica caratterizzata da forti effeti non-ideali. In tale regione termodinamica particolari strutture si instaurano nel flusso, facendo discostare il suo comportamento da quello noto dei gas ideali. Dati sperimentali in tali regioni, che possano confermare le attuali equazioni di stato utilizzate nei software CFD per il design delle pale di turbine, mancano in letteratura. Negli ultimi anni, fluidi organici apparteneneti alla classe dei silossani hanno visto un crescente impiego ed interesse per applicazioni industriali nel campo ORC per cicli ad alte temperature (HT-ORC). Focus di questo lavoro di tesi sono le tecniche di misura impiegate per l' ottenimento dei dati sperimentali e del loro post processing. Le tecniche di misura impiegate riguardano misure di pressione, di temperature e visualizzazioni Schlieren. Un metodo per la calibrazione dei trasduttori di pressione e delle teermocoppie che tenesse in considerazione tutti i dati in input e le relative incertezze è stato sviluppato in MATLAB e uno studio sul banco ottico è stato effettuato, portando a conclusioni utili sia per la campagan sperimentale considerata che per futuri esperimenti. Durante un precedente lavoro di tesi, dati relativi al comportaemnto del silossanno octamethyltrisiloxane (MDM) sono stati ottenuti e utilizzati per la validazione del software CFD opensource SU2. Obiettivo di questo lavoro è fornire dati relativi al silossano hexmethyldisiloxane (MM). Inoltre, appartenendo alla stessa classe il comportamento dei due fluidi nella regione di gas denso, può essere comparato in maniera piuttosto accurata sotto l' ipotesi di validità del Principio degli Stati Corrispondenti. Questo permette di definire l' influenza della complessità e del peso moleculare dei silossani sui profili di espansione che occorrono in turbine ORC. Un' altra investigazione di particolare interesse turbomacchinistico è riportata. A pari condizioni di pressione totale in ingresso, dati relativi ai profili di espansione nell' ugello a differenti temperature totali sono confrontati. L' obiettivo è quello di definire l' influenza della temperatura totale in ingresso di una turbine ORC sulle sue performance in condizioni di off-design .