Preliminary evaluation of real gas effects in a gasdynamic nozzle

The harmful influence of large-scale fossil utilization on the climate enhanced the need to exploit renewable heat sources such as solar radiation or geothermal heat. In this view, the Organic Rankine Cycle is an attractive option for small- and medium-scale applications (from approximately 100 kWe up to 2 $MWe). However, the characteristics of the organic fluids and the conditions in which this apparatus operates, require complex thermodynamic modeling and often involves highly supersonic flows. Therefore, the design of turboexpanders is very difficult because conventional methods based on similarity criteria do not apply and the experience in the field of organic compounds is very limited. Therefore the present work proposes a methodology can be ultimately applied to the design of turbine blades. Such an approach couples fluid-dynamic analysis with a Genetic Algorithm for the optimization. In particular, the thesis' aim is to optimize the shape of a two dimensional converging-diverging nozzle for an organic compound to achieve given outflow conditions. Moreover, different levels of approximation are evaluated: ideal- and real-gas laws for the thermodynamics, while inviscid and viscous flows for the fluid-dynamics. In the end, such problem resembles a turbine expansion and has an immediate application to a wind tunnel for organic fluids currently under construction at the Politecnico di Milano.

L'influenza nociva all'ambiente dell'impiego di combustibili fossili su larga scala ha aumentato il bisogno di sfruttare risorse di energia rinnovabili come la radiazione solare o il calore geotermico. In questa ottica, il Ciclo Rankine Organico è un'opzione attraente per applicazioni di piccola e media scala (da circa 100 kWe fino a 2 $MWe). Tuttavia, le condizioni di impiego dei fluidi organici sono caratterizzate una termodinamica complessa che spesso coinvolge anche flussi altamente supersonici. Perciò, il progetto di turbine è molto difficoltoso poichè i metodi convenzionali basati sui criteri di similitudine non possono essere applicati e l'esperienza nel settore è per ora molto limitata. Quindi il presente lavoro propone una metodologia che potrà essere utilizzata per il progetto di palette di turbine. Tale approccio accoppia calcoli fluidodinamici con un Algoritmo Genetico per l'ottimizzazione. In particolare, la tesi si occupa di ottimizzare la forma di un ugello convergente-divergente bidimensionale per un fluido organico al fine di ottenere le condizioni di scarico desiderate. Inoltre, si valutano diversi livelli di approssimazione: per la termodinamica si considera sia la legge di stato del gas ideale, sia una rappresentazione più accurata come gas reale, mentre per le analisi fluidodinamiche sono analizzati sia flussi inviscidi che viscosi. Infine, il problema assomiglia un'espansione in turbina ed ha un immediata applicazione in una galleria del vento per fluidi organici al Politecnico di Milano.