Investigation of thermal stability of organic fluids : static experiments and preliminary design of a dynamic loop

Organic Rankine Cycle (ORC) power systems are a well known technology for the production of electricity from low/moderate temperature heat sources, such as geothermal reservoir, biomass combustion, solar sources and waste heat from engines or industrial processes. The capability of those cycles to adapt to different sources is mainly due to the possibility of the selection of the most suitable working fluid for each application. The selection process is mainly affected by the thermal stability limit of organic compounds, that is the maximum temperature at which a working fluid can operate without suffering of decomposition process. In order to identify that limit, some experimental campaigns have been conducted at the CREA Laboratory of Politecnico di Milano, for the investigation of the thermal stability limit of linear siloxanes. In this thesis, some experiments, aimed at the conclusion of the work performed by previous authors on the study of linear siloxanes, are carried out with the static test-rig and the procedure designed by Brioschi and Gallarini et al. Results obtained confirm that decomposition of Hexamethyldisiloxane (MM), Octamethyltrisiloxane (MDM) and their equimolar mixture (MM/MDM) can be considered acceptable for temperatures lower than 350°C, then degradation products such as methane, ethane and ethylene appear with significant concentration in the vapor phase. Since last experiments with the static test-rig simply confirm the results previously obtained, it seems more interesting to study the thermal stability limit in completely different conditions. A preliminary design of a new apparatus which reproduces a real Rankine cycle is carried out, so that it is possible to study the thermal stability limit of fluids during real operating conditions. First, minima requirements and a possible layout of the cylcle are determined through an analysis of existing dynamic test-rig. Then, Hexamethyldisiloxane is selected as reference working fluid, and the thermodynamic cycle is completely defined and characterized. Of particular interest, is the decision to perform the heating of the liquid,the whole evaporation and part of the superheating of the vapor with only one heat exchanger, the recuperator. The selection and the design of heat exchangers and the expander required by the apparatus, is carried out. Finally, off-design analysis of the various components is performed for different stress temperatures and with Cyclopentane as working fluid. Future analysis will be focused on the identification of an appropriate pump and the final realization of the plant.

I cicli Rankine a fluidi organici sono una tecnologia oramai ben nota e sfruttata per la produzione di energia elettrica da sorgenti a media/bassa temperatura, come fonti rinnovabili e il recupero di energia da motori e processi industriali. Uno dei principali vantaggi di questi cicli è la possibilità di scegliere il fluido di lavoro che meglio si adatti alla sorgente termica che si vuole sfruttare. Il fattore che influenza maggiormente il processo di selezione del fluido è la stabilità termica dei fluidi organici. In particolare, il limite di stabilità termica definisce la massima temperatura alla quale un determinato composto organico può lavorare senza incorrere nel processo di decomposizione chimica, che causerebbe una significativa riduzione del rendimento globale del ciclo. Risulta quindi fondamentale determinare qual è questo limite per i fluidi di maggiore interesse. A questo riguardo, presso il CREALab del Politecnico di Milano, sono state eseguite alcune campagne sperimentali sullo studio della stabilità termica dei silossani. In questo lavoro di tesi sono stati fatti gli ultimi esperimenti inerenti la caratterizzazione del limite di stabilità termica di alcuni silossani sfruttando la procedura e l’apparato sperimentale statico progettati da Brioschi e Gallarini et al. I risultati ottenuti sono in linea con i test fatti da autori precedenti: la decomposizione dell’Esametildisilossano (MM), Ottametiltrisilossano (MDM) e la loro miscela equimolare può essere considerata accettabile fino a temperature di stress pari a 350°C. Per temperature superiori, la concentrazione dei prodotti di decomposizione, che sono metano, etano ed etilene, diventa non più trascurabile. A seguito di questi test, si è deciso di studiare e progettare un apparato sperimentale dinamico che riproduca le reali condizioni operative di un vero e proprio ciclo Rankine, per vedere l’effetto della ciclicità e dell’interazione del fluido con altri componenti, sulla stabilità termica. Per prima cosa, sono stati identificati i requisiti minimi richiesti all’impianto e in seguito si è potuto stabilire un primo layout del ciclo dettato da questi requisiti. Tramite un’analisi della letteratura, si è scelto l’esametildisilossano come fluido di riferimento per la fase di design, con il quale è stato possibile caratterizzare completamente il ciclo termodinamico. In particolare, si è deciso di introdurre un rigeneratore che sfrutti il vapore ad alta temperatura per riscaldare il liquido, farlo evaporare completamente e fare parte del surriscaldamento. In seguito, gli scambiatori di calore e la valvola sono stati dimensionati ed è stata fatta un’analisi di off-design dei vari componenti per diverse temperature di stress e con un altro fluido di lavoro (Ciclopentano). La scelta della pompa più idonea e la finale realizzazione dell’impianto sono lasciati per sviluppi futuri.