Numerical and experimental characterization of small-scale ORC turbines

The worldwide interest in reducing CO2 and greenhouse gas emissions, improving the efficiency of fossil-fueled plants, and increasing the utilization of renewable energy systems is crucial for achieving a sustainable growth. In this thesis the attention is posed on the efficiency improvement of bottoming Organic Rankine cycles (ORCs), which are energy-conversion systems designed to convert thermal energy into electrical energy. The research primarily focuses on small-power organic Rankine cycles (mini-ORCs) as they feature unique design challenges, including complex integration with the main plant, part-load and transient operations, and difficulties associated with the design of small-size, highly loaded turbo-expanders. The efficiency of mini-ORC systems, the optimal plant layout, and the working fluid selection are indeed closely tied to the achievable performance of the turbomachinery components. However, relying solely on design practices and guidelines developed for conventional steam and air-operating machines may lead to limitations in the design of mini-ORC turbines, owing to the reduced-dimensions and the unconventional gas dynamics underlying mini-ORCs. The primary objective of this thesis, subdivided into two main parts, is therefore to investigate, analyze and characterize ORC turbines for small-power applications, both numerically and experimentally. The original contribution of this research is twofold: first, to enrich the dedicated design rules that can enable highly efficient mini-ORC turbines and optimal plant layouts, and second, to provide relevant experimental data for turbine components operated with organic fluids in non-ideal conditions. The first part focuses on the design of bottoming ORCs for small-power applications, with specific attention given to the performance characterization of small-scale turbo-expanders and their impact on the selection of ORC optimal working fluid and cycle layout. A methodology is indeed developed to integrate the turbo-expander performance evaluation within the thermodynamic cycle optimization. To this end, a dedicated reduced-order model for the preliminary sizing of single-stage radial inflow turbines (RITs) is developed and validated against numerical and experimental data available in the open literature. To tailor the model to small-power high-pressure ratio applications, a meticulous literature review and a corresponding sensitivity analysis on existing loss correlations are performed. To integrate the turbine sizing model within the ORC design and optimization procedure a performance map for single-stage RITs is exploited. This approach allows therefore to design the thermodynamic cycle considering a realistic performance of the expander and to retrieve the best cycle architectures and turbine geometry depending on heat source characteristics and active constraints. To demonstrate the potential of the proposed methodology, a benchmark small-power application is considered, namely the ORC-based waste heat recovery (WHR) from the internal combustion engine (ICE) of long-haul trucks. The performance map reports the maximum RIT total-to-static efficiency as function of two relevant cycle-dependent parameters: the Size Parameter (SP), a dimensional variable accounting for machine dimension, and the isentropic Volume ratio (Vr), namely the outlet to inlet volumetric flow ratio in isentropic hypothesis. According to similarity theory, the effects related to the fluid molecular properties and inter-molecular forces, defining the thermodynamic state of the fluid, are investigated to assess the validity of SP and Vr as unique independent parameters. The results of such analyses demonstrate minor effects of the real-gas thermo-fluid-dynamics on the attainable maximum RIT efficiency, proving the effectiveness SP and Vr. The proposed methodology is then applied to compare the optimal cycle configurations and working fluids obtained adopting turbine performance maps within the cycle optimization procedure rather than assuming constant efficiency values. Results show that the assumption of constant turbine efficiency may lead to a non-optimal choice of the working fluid for a specific plant size and to the definition of thermodynamic cycles extremely far from the optimal ones that, in turn, can result in an unfeasible design of the turboexpander. The second part details the experimental campaigns on an ORC supersonic linear cascade, assembled within the Test Rig for Organic VApors (TROVA) at Politecnico di Milano. The experiments are conceived to provide relevant experimental data for turbine components operated with organic fluids in non-ideal conditions and, consequently, to contribute to fill the lack currently existing in the open literature. The main objective of the campaigns is to characterize the flow field developing through supersonic ORC nozzles in linear cascade configuration, including the measurement of total pressure losses. The TROVA facility is firstly described, together with its operation procedures and the available instrumentation. All the steps required to design from scratch such novel experiments are detailed. The investigated thermodynamic conditions are chosen to carry out expansion processes characterized by highly non-ideal fluid thermodynamic states. The linear cascade features three complete blades, defining two central converging-diverging channels, and two side-walls integrating partial blade profiles. This configuration is devised to make the linear cascade representative of stator nozzles of axial/radial ORC turbines. Therefore, both blades and side-walls are designed and optimized exploiting high-fidelity CFD simulations in order to reproduce all the important features of these flows, namely the trailing-edge shock system, the wake generation and recovery, and the periodicity between the two central channels. The devised measurement strategies include the acquisition of the static pressure evolution along the centerline of the two central channels, the employment of a double-passage schlieren equipment to visualize the morphology of shock/fan wave structures, and a downstream traversing system to retrieve total pressure loss pitch-wise distribution. A long-duration experimental campaign exploiting nitrogen as working fluid is firstly carried out to demonstrate the technical relevance of the experiment and the validity of the measurement system in a simplified thermodynamic condition. These experiments prove an excellent repeatability and a remarkable periodicity, regardless the cascade was operated off-design, both in terms of working fluid and inlet total conditions. Comparison with CFD simulations of the cascade prove a satisfactory agreement both in terms of retrieved static pressures and density gradient field versus schlieren visualizations. Conversely, the blade wakes retrieved experimentally result shifted compared to those predicted by numerical calculations, despite a good agreement between experimental and numerical total pressure loss peak. Following the corrective actions taken to fix an unwanted leakage, which negatively affected the flow periodicity and the cascade back-pressure, a long-duration experimental campaign exploiting the siloxane MM (hexamethyldisiloxane) as working fluid is currently underway. The preliminary experiments are carried out without implementing the total pressure probe and in off-design conditions, at lower inlet total pressure and temperature, featuring a minimum compressibility factor of 0.65 at the cascade inlet. The attained level of periodicity results fairly improved, the shocks reflected by the bottom side-wall remaining the major source of non-periodicity. The comparison with CFD predictions is outstanding both in terms of retrieved static pressures and density gradient field versus schlieren visualization, for all the values of the inlet compressibility factor investigated. These preliminary outcomes prove the effectiveness of the cascade design in representing the actual flow field of supersonic ORC nozzle vanes. The remarkable agreement with high-fidelity CFD predictions, for both nitrogen and MM, validates the theoretical tools used in the design phase. Furthermore, it demonstrates the suitability of the employed CFD models for the design and analysis of ORC turbines, as well as for the validation of reduced-order models and loss correlations. The collected data aim at serving as a valuable reference for future experimental investigations on ORC cascades, also considering the lack of data currently existing in the open literature.

L'interesse mondiale nella riduzione delle emissioni di CO2 e di gas serra, nell'aumentare l'efficienza delle centrali a combustibili fossili e nell'incremento dell'utilizzo di sistemi di energia rinnovabile è cruciale per raggiungere una crescita sostenibile. In questa tesi, l'attenzione è rivolta al miglioramento dell'efficienza dei cicli Rankine organici (ORC), che rappresentano sistemi di conversione energetica progettati per trasformare l'energia termica in elettrica. La ricerca si concentra principalmente sui cicli organici Rankine di bassa potenza (mini-ORC), poiché presentano complicazioni progettuali peculiari, tra cui una complicata integrazione con l'impianto principale, un funzionamento spesso non-stazionario e a carico parziale, e le difficoltà legate alla progettazione di turbo-espansori di piccole dimensioni e ad alto carico. L'efficienza dei sistemi mini-ORC, l’architettura ottimale dell'impianto e la scelta del fluido di lavoro sono strettamente legate alle prestazioni ottenibili dal turbo-espansore. Tuttavia, affidarsi esclusivamente a pratiche di progettazione e linee guida sviluppate per turbomacchine convenzionali, solitamente operate con vapore acqueo o aria, può comportare limitazioni nella progettazione di turbine di piccola taglia operate con fluidi organici (turbine mini-ORC), a causa delle dimensioni ridotte e della gasdinamica non convenzionale che caratterizza i fluidi organici. L'obiettivo primario di questa tesi, suddivisa in due parti principali, è quindi quello di indagare, analizzare e caratterizzare le turbine ORC per applicazioni di piccola potenza, sia numericamente che sperimentalmente. Il contributo originale di questa ricerca è duplice: primo, sviluppare dedicate regole di progettazione che possono permette di ottenere turbine mini-ORC altamente efficienti e architetture di ciclo ottimali, e, secondo, fornire rilevanti dati sperimentali riguardo componenti di turbina operati con fluidi organici in condizioni non ideali. La prima parte si concentra sulla progettazione di impianti ORC per applicazioni di piccola potenza, con particolare attenzione alla caratterizzazione delle prestazioni dei turbo-espansori di piccola taglia e al loro impatto sulla selezione del fluido di lavoro e dell’architettura del ciclo ottimali. Si è sviluppata infatti una metodologia per integrare la valutazione delle prestazioni della turbina all'interno dell'ottimizzazione del ciclo termodinamico. A tal fine, viene sviluppato e convalidato un apposito modello a ordine ridotto per il dimensionamento preliminare di turbine radiali a flusso entrante (RIT). Per adattare il modello alle applicazioni a bassa potenza ed alto rapporto di espansione, è stata effettuata una dettagliata revisione delle correlazioni di perdita presenti in letteratura, seguita da una rispettiva analisi di sensibilità. Per integrare il modello di dimensionamento della turbina nella procedura di progettazione e ottimizzazione ORC, è stata sviluppata una mappa di prestazioni valida per turbine radiali a singolo stadio. Questo approccio consente infatti di progettare il ciclo termodinamico considerando prestazioni realistiche dell'espansore e, a seconda della sorgente di calore e dei vincoli considerati, permette di ottimizzare il ciclo termodinamico considerando, per ogni set di condizioni al contorno, la geometria e l’efficienza ottimali della turbina. Per dimostrare il potenziale della metodologia proposta, un’ applicazione di piccola potenza di riferimento è stata presa in considerazione, ovvero il recupero, dai motori a combustione interna (ICE) dei camion a lunga percorrenza, di calore residuo (WHR) basato su impianti ORC. La mappa delle prestazioni riporta l'efficienza totale-statica massima della turbina radiale come funzione di due parametri rilevanti che dipendono esclusivamente dal ciclo termodinamico: il size parameter (SP), una variabile dimensionale che tiene conto delle dimensioni della macchina, e il rapporto di volume specifico isentropico, o volume ratio (Vr), cioè il rapporto delle portate volumetriche in uscita e in ingresso alla turbina, nell’ipotesi di flusso isentropico. In accordo con la teoria della similitudine, gli effetti legati alle proprietà molecolari del fluido e alle forze intermolecolari, che definiscono lo stato termodinamico del fluido, sono stati investigati per valutare la validità di SP e Vr come unici parametri in funzione dei quali calcolare l’efficienza della turbina. I risultati di tali analisi dimostrano come gli effetti della termofluidodinamica dei gas reali sulla massima efficienza ottenibile della turbina siano secondari, dimostrando l'efficacia di SP e Vr. La metodologia proposta è stata quindi testata per confrontare sia le architetture ottime del ciclo che i migliori fluidi di lavoro ottenuti utilizzando, all'interno della procedura di ottimizzazione del ciclo, la mappa delle prestazioni sviluppata, anziché assumere valori di efficienza costanti. I risultati mostrano che assumere un’efficienza costante della turbina può portare, a seconda della dimensione specifica dell'impianto, a una scelta non ottimale del fluido di lavoro e alla definizione di cicli termodinamici estremamente lontani da quelli ottimali, che a loro volta possono risultare in una progettazione della turbina non possibile. La seconda parte descrive le campagne sperimentali condotte su una schiera lineare supersonica progettata per essere operata con fluidi organici e assemblata all'interno del Test Rig for Organic Vapors (TROVA) presso il Politecnico di Milano. Gli esperimenti sono stati concepiti per fornire dati sperimentali rilevanti riguardo componenti di turbine operati con fluidi organici in condizioni non ideali e, di conseguenza, per contribuire a colmare la lacuna attualmente esistente a riguardo in letteratura. L'obiettivo principale delle campagne sperimentali è caratterizzare il campo di flusso che si sviluppa attraverso una schiera statorica lineare ORC e supersonica, includendo anche la misura delle perdite di pressione totale attraverso di essa. Come prima cosa sono state descritta la struttura del TROVA, le procedure operative richieste per operare l’impianto, e gli strumenti disponibili. Successivamente, sono stati meticolosamente descritti tutti i passaggi necessari per progettare da zero esperimenti così innovativi. Le condizioni termodinamiche all’ingresso della schiera sono state scelte per avere processi di espansione caratterizzati da stati termodinamici del fluido altamente non ideali. La schiera lineare presenta tre pale complete, che definiscono due canali convergenti-divergenti centrali, e due pareti laterali che integrano dei profili parziali delle pale. Questa configurazione è stata ideata per rendere la schiera rappresentativa delle pale statoriche delle turbine ORC sia assiali che radiali. Pertanto, sia le pale che le pareti laterali sono state progettate e ottimizzate sfruttando simulazioni CFD per riprodurre tutte le caratteristiche importanti di questi campi di moto, come gli urti che si formano al bordo d'uscita (fishtails), la generazione delle scie a valle delle pale e la periodicità tra i due canali centrali. Le strategie di misura previste includono: l'acquisizione dell'evoluzione della pressione statica lungo la mezzeria dei due canali centrali, l'uso di un attrezzatura schlieren a doppio passaggio per visualizzare la morfologia delle onde d'urto e dei ventagli di espansione, e un sistema di traversamento a valle per misurare la distribuzione delle perdite di pressione totale lungo il passo della schiera. Innanzitutto, è stata condotta una campagna sperimentale a lunga durata sfruttando l'azoto come fluido di lavoro, per dimostrare la rilevanza tecnica dell'esperimento e la validità del sistema di misurazione in una condizione termodinamica semplificata. Questi esperimenti hanno dimostrato un'eccellente ripetibilità e una notevole periodicità, indipendentemente dal fatto che la cascata sia stata operata in condizioni lontane da quelle di progetto, sia in termini di fluido di lavoro che di pressione e temperatura totali in ingresso. Il confronto con le simulazioni CFD ha dimostrato una corrispondenza soddisfacente in termini di pressioni statiche e una buona somiglianza fra il campo del gradiente di densità calcolato numericamente e le visualizzazioni schlieren. Al contrario, le scie delle pale rilevate sperimentalmente risultano traslate rispetto a quelle predette dai calcoli numerici, nonostante un buona corrispondenza tra il valore massimo della perdita di pressione totale sperimentale e numerica. A seguito delle azioni correttive intraprese per risolvere un indesiderato trafilamento d’aria verso la sezione di prova, che ha influenzato negativamente la periodicità del flusso e la contro-pressione della schiera, è attualmente in corso una nuova campagna sperimentale a lunga durata che utilizza come fluido organico di lavoro il silossano MM (esametildisilossano). Gli esperimenti fin ora condotti sono stati effettuati senza utilizzare la sonda di pressione totale e considerando valori inferiori sia della pressione che della temperatura totale all’ingresso della schiera, che implicano un fattore di comprimibilità minimo di 0.65. Il livello di periodicità raggiunto risulta notevolmente migliorato, con gli shock riflessi dalla parete inferiore che rimangono la principale fonte di non-periodicità. Il confronto con i risultati CFD è eccezionale sia in termini di pressioni statiche che di campi di gradiente di densità rispetto alle visualizzazioni schlieren, per tutti i valori del fattore di comprimibilità all’ingresso della schiera esaminati. Questi risultati, seppur incompleti, dimostrano l'efficacia della progetto della schiera nel rappresentare il campo di moto tipico di schiere statoriche ORC e supersoniche. la notevole corrispondenza con i calcoli CFD, sia per l'azoto che per il MM, convalida gli strumenti teorici utilizzati nella fase di progettazione e dimostra l'adeguatezza dei modelli CFD impiegati sia per la progettazione e l'analisi delle turbine ORC che per la verifica dei modelli ad ordine ridotto e delle correlazioni di perdita. I dati raccolti mirano a servire da prezioso riferimento per future indagini sperimentali su schiere/turbine ORC, considerando anche la mancanza di dati attualmente esistente in letteratura.