Mini-ORC radial inward turbine meanline design and analysis

Since the 70’s ORC (Organic Rankine cycles) are considered a valid alternative to conventional steam and gas cycles in energy production matters. Recently, due to a growing interest for low power capacity cycles, new mini – ORC (3 – 50 kW) have been developed. New unconventional fluids that can exploit low temperature heat sources have been identified, thus assuring future mini – ORC’s recognition. The application fields vary substantially from the energy production for remote areas to waste heat recovery (WHR) systems in heavy duty diesel engines (HDDE). As far as the expander architecture is concerned, high pressure ratios suggest single stage radial inward turbines. The scaled dimensions and the three – dimensional flow, together with high Mach numbers caused by the low organic fluids’ sound speed range add complexity to the turbine design and analysis process. The preliminary analysis was carried out leveraging general guidelines derived from axial turbines or compressors and adapted to radial inward turbines. The thesis focuses on developing a code capable of calculating a preliminary 0 – D turbine design and computes both the machine overall performances and fluid dynamic parameters. A losses’ breakdown technique highlights the most significant losses’ sources. The loss models’ validation and calibration were carried out via a Monte Carlo analysis, comparing obtained results with experimental data available in literature. A low amount of references is available in literature reporting performance maps of organic fluid driven radial inward turbines. The considered machines are therefore using air as working fluid. An optimization process has highlighted a candidate turbine for a given HDDE’s waste heat recovery. Future developments of the described technologies are fundamental to ensure more efficient energy production systems, both for distributed and mobile application, to achieve economic and environmental targets.

Gli impianti ORC (Cicli Rankine Organici) rappresentano da tempo una valida alternativa nel campo della produzione di energia rispetto ai classici cicli ad acqua o gas. Solo recentemente però, è cresciuto l’interesse nei confronti di impianti capaci di produrre potenze minori (3 – 50 kW) a efficienze comparabili. L’avvento di nuovi fluidi organici, capaci di sfruttare sorgenti termiche a basse temperature, sta assicurando una posizione di rilievo ai cosiddetti mini – ORC nel futuro del mercato energetico. I campi applicativi sono molteplici e variano dalla fornitura di energia per aree isolate allo sfruttamento del calore residuo derivante da motori di grossi mezzi di trasporto. Gli alti rapporti di pressione, a cui sono sottoposte le turbine dei suddetti cicli, suggeriscono l’utilizzo di macchine a flusso radiale. Le ridotte dimensioni della macchina e il flusso tridimensionale, insieme agli elevati numeri di Mach, dovuti alle basse velocità del suono nei fluidi organici, rendono il design e l’analisi della turbina particolarmente complesso. Per la progettazione iniziale ci si affida a delle linee guida generali derivanti da turbine assiali o compressori opportunamente riadattate. La tesi riguarda lo sviluppo di un codice in grado di fornire un design preliminare 0-D di una turbina a fluidi organici e che ne valuti sia l’efficienza che i parametri fluido dinamici ad ogni sezione di interesse. Le fonti di perdita di efficienza sono state classificate in funzione del valore percentuale rispetto al rendimento complessivo della macchina. Nel corso dello svolgimento della tesi ci si è concentrati sulla validazione dei modelli di perdite attraverso un confronto con modelli sperimentali disponibili in letteratura. Purtroppo, essendo la ricerca nell’ambito dei fluidi organici di interesse ancora relativamente recente, c’è una forte carenza di dati sperimentali. Per questo motivo le macchine scelte per la validazione utilizzano principalmente aria. Infine, attraverso un processo di ottimizzazione, basato sull’analisi di Monte Carlo, una turbina radiale per sistemi ausiliari di mezzi per il trasporto su gomma è stata progettata e analizzata utilizzando il codice sviluppato. Lo sviluppo di queste nuove tecnologie è fondamentale per garantire sistemi di produzione di energia, sia statici che mobili, più efficienti con possibili migliori risultati economici e minor impatto ambientale.