Misure sperimentali e modello numerico di un sistema microcogenerativo basato sul ciclo Stirling

In order to reduce primary energy consumptions, high efficiency technologies are needed. Among these, micro-cogeneration is one of the most outcoming. This technology reduces costs of production and greenhouse gases emissions thanks to the installation of cogenerative systems nearby users. The experiments focus on the commercial system WhisperGenTM which is based on a Stirling cycle. The engine provides up to 1.0 kW of electrical power and about 8.0 kW of thermal power in fully cogenerative mode. The system can increase the thermal power up to 14.0 kW thanks to a supplementary burner. The system is small and quite, therefore it is adapt for householdings applications. The experimental studies have the purpose of evaluating the thermal power transferred in each heat exchange section of the engine. Furthermore, experimental results are used to verify the numerical model developed by Dipartimento di Energia of Politecnico di Milano which describes how a WhisperGenTM runs. The experimental data are obtained through the installation of temperature sensors which are connected to a PLC (Programmable Logic Controller) and to a specific acquisition systems. Thermocouples and thermoresitences are chosen considering the entity of the temperatures to measure, the fluid in which sensors are plunged and installation space. The experimental tests show that the thermal power absorbed by water in the cooler is 4.8-4.9 kW, in the supplementary burner is 1.4-2.2 kW, in the vessel is 0.35-0.45 kW and in the interspace of the main burner is 1.2-1.5 kW. As for air pre-heat, the fluid absorbs 0.01-0.06 kW from combustion gases and 0.03-0.09 kW from the walls inside the chassis of the engine. Moreover, the evaluation of electric and thermal efficiencies shows continuity with the previous tests. The accomplishment of balances is verified through the evaluation of the maximum relative percentage difference between inputs and outputs. In the numeric simulations, the temperature of the wall of the heater is set at 550°C while the temperature of the wall of the cooler varies with the corresponding experimental conditions. The other parameters remain unchanged. The relative difference between experimental and numerical electrical efficiencies is included between -4.22% and +4.32%.

L’esigenza di ridurre il consumo di energia primaria a parità di effetto utile prodotto richiede la diffusione di tecnologie ad alto rendimento. Tra queste, molto promettente risulta la micro-cogenerazione, che consente di ridurre i costi di produzione e le emissioni di gas serra, mediante l’installazione di sistemi cogenerativi in prossimità delle utenze. La presente sperimentazione riguarda il sistema commerciale WhisperGenTM , basato su ciclo Stirling e in grado di fornire 1.0 kW elettrico e 8.0 kW termici in assetto puramente cogenerativo e 14.0 kW termici con l’ausilio di un secondo bruciatore. A causa delle ridotte dimensioni e della bassa rumorosità, il sistema è idoneo per installazioni domestiche. Le prove hanno come obiettivo quello di determinare le potenze termiche trasferite in ogni singolo banco di scambio, tramite la misura di alcune temperature interne alla macchina. Inoltre, grazie ai risultati sperimentali, si opera una verifica del modello numerico sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, che descrive il funzionamento di un sistema WhisperGenTM. Per rilevare i dati sperimentali, si installano dei sensori di temperatura, che vengono acquisiti tramite PLC (Programmable Logic Controller) e schede di acquisizione apposite. La scelta dei sensori ricade su termocoppie piuttosto che su termoresistenze, in base alle temperature da misurare, al tipo di fluido in cui il sensore stesso deve essere immerso e allo spazio a disposizione. Dalle prove sperimentali, si rileva che, al variare delle condizioni di prova, la potenza termica ceduta all’acqua nel cooler è circa 4.8-4.9 kW, nel bruciatore secondario è circa 1.4-2.2 kW, nel vessel è circa 0.35-0.45 e nella camicia del bruciatore primario è circa 1.2-1.5 kW. Per quanto riguarda il preriscaldo dell’aria in ingresso al bruciatore primario, essa riceve circa 0.01-0.06 kW dai fumi e circa 0.03-0.09 kW dalle pareti riflettenti del box. Inoltre, si riscontra continuità nel calcolo dei rendimenti elettrici e termici rispetto alla campagna di prove precedente. Per verificare la chiusura dei bilanci, si valuta lo scarto relativo percentuale massimo tra grandezze in ingresso e in uscita. Nelle simulazioni numeriche, si fissa la temperatura delle pareti del riscaldatore a 550°C e si varia la temperatura delle pareti del refrigeratore a seconda della prova sperimentale a cui la simulazione stessa corrisponde. Tutti gli altri parametri rimangono invariati. Lo scarto relativo tra i rendimenti elettrici netti sperimentali e quelli ricavati dalle simulazioni numeriche oscilla tra il -4.22% e il +4.32%.