Commissioning of experiments on two-phase expansion for organic rankine cycles with partial evaporation

This thesis presents the commissioning of experiments for characterizing the two-phase expansion of an organic fluid, along with a preliminary two-phase test campaign. This work aims to contribute to the development of high-efficiency thermodynamic cycles with partial evaporation for Waste-Heat-to-Power conversion, which could play an important role in responding to the increasing energy demand and in mitigating climate change. These cycles employ retrograde organic fluids and are characterized by a liquid-to-dry expansion, meaning that the turbine receives an inlet flow that is partly or completely liquid. To ensure a proper turbine operation, the flow must fully vaporize before entering the first rotor. The research is motivated by the need to collect data for the flashing process of organic fluids, which are scarce in the literature. Such a gap must be filled to enable the development of experimentally-based CFD models accounting for metastable effects in organic fluids. The experimental activities consisted of a series of blow-down tests in which the flow flashing through a planar converging-diverging axial nozzle was characterized by means of pressure and temperature measurements, and flow visualization techniques. An assessment of test repeatability has been carried out to ensure that repeated tests with different datasets can be compared. Moreover, a comparison with CFD simulation employing a homogeneous equilibrium model has been performed, showing a relatively good agreement with the experimental data. However, identifying metastable effects has proven to be challenging. The visual inspection of the flow revealed the occurrence of a complete flashing process at the nozzle throat region, and allowed a qualitative identification of the flow phase at the nozzle inlet and outlet. Although preliminary, these tests enabled the development of the procedures required to conduct two-phase tests and implement the related measurement methods.

Questa tesi presenta la fase di commissioning di esperimenti finalizzati alla caratterizzazione dell'espansione bifase di un fluido organico, insieme a una campagna preliminare di test bifase. Lo scopo di questo lavoro è quello di contribuire allo sviluppo di cicli termodinamici ad alto rendimento per la conversione del calore di scarto in energia elettrica, con l'obiettivo di rispondere alla crescente domanda energetica e contrastare il cambiamento climatico. Tali cicli impiegano fluidi organici retrogradi e sono caratterizzati da un'espansione liquido-vapore, ossia la turbina riceve un flusso in ingresso che è parzialmente o del tutto liquido. Per garantire il corretto funzionamento della stessa, il flusso deve completamente vaporizzare prima di entrare nel primo rotore della macchina. La ricerca è motivata dalla necessità di raccogliere dati sul processo di flashing dei fluidi organici, attualmente scarsi in letteratura. Tale lacuna deve essere colmata per permettere lo sviluppo di modelli CFD basati su dati sperimentali che tengano conto degli effetti metastabili in tali fluidi. Le attività sperimentali sono state condotte attraverso una serie di test di blow-down, nei quali il flusso in flashing attraverso un ugello assiale piano convergente-divergente è stato caratterizzato mediante misure di pressione, temperatura e tecniche di visualizzazione. È stata condotta una valutazione della ripetibilità dei test per garantire che test ripetuti con dataset differenti potessero essere confrontati. Inoltre, è stato effettuato un confronto con simulazioni CFD basate su un modello omogeneo all'equilibrio, che hanno mostrato una concordanza relativamente buona con i dati sperimentali. Tuttavia, l’identificazione degli effetti metastabili si è rivelata complessa. L’ispezione visiva del flusso ha evidenziato la presenza del processo di flashing nella regione della gola dell’ugello e ha consentito un’identificazione qualitativa della fase del flusso all’ingresso e all’uscita dello stesso. Sebbene preliminari, questi test hanno consentito lo sviluppo delle procedure necessarie a condurre test bifase e l'implementazione dei relativi metodi di misura.