Development of a Pitot probe measurement system for non-ideal compressible flows of organic vapours

The present thesis work discusses the execution and results of two experi- mental campaigns conducted at Politecnico di Milano's laboratory, one performed on the Impianto Valvole di Sicurezza, situated at Fluid Machine Laboratory (LFM), and the other at Test Rig for Organic Vapors (TROVA) situated at Laboratory of Compressible fluid dynamics for Renewable Energy Applications (CREA Lab). The final aim of this work is the development and the realization of measurement system for Pitot tube probes (total-static and only total) for non-ideal flows, involving thermodynamic condition close to the saturation curve and critical point. In the first experimental campaign the probe (total-static) correct functioning and the performance variation under variable Mach number, Reynolds number and flow direction, using air as working fluid, were investigated. Afterwards on the TROVA plant at CREA, measurements in organic vapors of non-ideal flows were performed. At present TROVA usesMM (Hexamethildisiloxane- C6H18OSi2) as working uid, a high molecular complexity organic com- pound, widely used in high temperature ORC's (Organic Rankine Cycles). To this day, a wind tunnel suitable for pressure probe calibration that uses MM as working fluid does not exist yet. As a consequence, there are currently no calibrated instruments able to perform precise pressure, velocity and mass flow rate measurements in ORC plants. This thesis work is then a first step to allow probes calibration in this type of flows and therefore ensure the future use in industry. To proceed with pressure measurements by the use of probes in the TROVA plant, it was necessary to develop a pneumatic system of lines with nitrogen flushing, to avoid the MM condensation inside the measurement lines. Probe correct functioning was verified by tests performed in subsonic MM flows and in presence of non-ideal effects. Due to total-static probe dynamic response delay problems, caused by manufacturing defect, a new total probe was used, always exploiting the pneumatic measurement system previously developed. With this probe the total pressure loss measurement across a normal shock- wave in a supersonic flow was performed. Preliminary tests were conducted with nitrogen to compare the measured shock loss with the one obtained from 1D theory in ideal gas case, and then it has gone to MM flows measurements. These measurements in supersonic conditions were supported by an optical bench for schlieren visualization.

Il presente lavoro di tesi discute i risultati di due campagne sperimentali con- dotte presso i laboratori del Politecnico di Milano, una sull'Impianto Valvole di Sicurezza, situato presso il Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM), e l'altra sul Test Rig for Organic Vapors (TROVA), situato presso il Laboratory of Compressible uid dynamics for Renewable Energy Applications (CREA Lab). L'obiettivo finale di questo lavoro è lo sviluppo e la realizzazione di un sistema di misura per sonde di tipo Pitot (totale-statica e solo totale) per correnti non ideali, ovvero che coinvolgono condizioni termodinamiche molto vicine alla curva di saturazione e al punto critico. Nella prima campagna sperimentale è stato verificato il corretto funzionamento in aria della sonda (totale-statica) e la variazione delle performance a numero di Mach, numero di Reynolds e direzione della corrente variabili. Si è poi passati alle misure in correnti non-ideali di vapori organici, utilizzando l'impianto TROVA al CREA. Attualmente il TROVA utilizza MM (Esametildisilossano-C6H18OSi2) come fluido di lavoro, un composto organico ad alta complessità molecolare largamente usato negli impianti di produzione di potenza ORC (Organic Rankine Cycle). Ad oggi non esistono gallerie del vento adatte per la calibrazione di sonde di pressione che usano MM come fluido di lavoro. Vengono quindi a mancare strumenti calibrati per poter effettuare precise misure di pressione, velocità e portata negli impianti ORC che utilizzano questo tipo di fluido. Il presente lavoro di tesi è un primo passo per permettere la calibrazione delle sonde in questo tipo di correnti e permetterne l'utilizzo in ambito industriale caratterizzato da correnti non-ideali. Per procedere con le misurazioni di pressioni attraverso l'uso di sonde nel TROVA, si è reso necessario lo sviluppo di un sistema pneumatico di linee con flussaggio di azoto, per poter ovviare al problema della condensazione di MM nelle linee di misura. E’ stato verificato il corretto funzionamento della sonda con un fluido diverso da aria ed in presenza di effetti non-ideali attraverso test in correnti subsoniche di MM. A causa di problemi di risposta dinamica della sonda totale-statica, dovuto ad un difetto di fabbricazione, si è passati ad utilizzare una sonda di sola pressione totale, sempre utilizzando lo stesso sistema pneumatico precedentemente sviluppato. Con quest'ultima sonda si è poi spostata l'attenzione alla misura della perdita totale a cavallo di un urto normale in una corrente supersonica. E’ stato verificato inizialmente il buon accordo tra la misurazione tramite sonda di perdita di pressione totale a cavallo dell'urto e la perdita calcolata dalla teoria di flusso 1D nel caso di azoto (gas ideale) per poi passare alle misure in MM. Queste prove in regime supersonico sono state supportate da misurazioni ottiche effettuate tramite un banco per la visualizzazione schlieren.