Indagini numeriche sulle prestazioni fuori progetto di un espansore scroll per microgenerazione

Local and small-scale energy production is possible with the ORC (Organic Rankine Cycle) technology. The expander is a very important component in the ORC system: positive-displacement type machines (such as scroll expanders) are appropriate to the small-scale ORC units, because they are characterized by lower mass flow rates, higher pressure ratios and much lower rotational speeds than traditional turbo-machines (such as radial and axial turbines). However, up to now, the use of scroll machines in expander mode has mainly been limited to lab-scale and experimental studies. This thesis deals with an open-drive oil-free scroll expander, which is investigated (by means of a semi-empirical model as reported in scientific literature) in order to evaluate its performance. The expander performance is investigated for several working fluids: R123, R245fa, pentane, C5F12, R141b, R365mfc, RE347mcc and R1233zd(E). The adaptation of the scroll expander model for various working fluids is originally presented in this thesis. In the model, the evolution of the fluid through the expander is decomposed into consecutive stages. The overall expander performance (in terms of effectiveness) is influenced by the working fluid, the expander rotational speed and the supply pressure. On the contrary, the supply temperature does not seem to influence the expander effectiveness and the volume flow rate: superheated vapour at the expander inlet can be avoided (with interesting economic consequences), starting the expansion process from saturated vapour. The best expander performance is obtained using R365mfc and RE347mcc as working fluids: for the selection of working fluids, it is necessary to take into account not only expander effectiveness and thermodynamic efficiency but also toxicity of the fluid, autoignition temperature, ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP). Ultimately, the scroll expander is integrated into a small-scale ORC (fixing the expander output power equal to 2 kW): the higher cycle efficiency is achieved with R141b, depending on the limits of the expander model.

Gli espansori volumetrici di tipo scroll rappresentano una soluzione più che promettente per un utilizzo in applicazioni ORC di piccola taglia. Questo lavoro di tesi affronta lo studio delle prestazioni di tale macchina volumetrica, alimentata con diversi fluidi di lavoro: R123 (fluido per cui è stato originariamente sviluppato il modello di espansore), R245fa, pentano, C5F12, R141b, R365mfc, RE347mcc e R1233zd(E). L’estensione di validità del modello a fluidi di lavoro differenti dal refrigerante R123 è stata in maniera originale realizzata nel presente lavoro di tesi, così da poter indagare le prestazioni della macchina per più fluidi di lavoro, in condizioni di off-design. Il processo di espansione subito dal fluido nella macchina è suddiviso in una sequenza di trasformazioni elementari. Le prestazioni complessive dell’espansore, oltre a dipendere dal fluido di lavoro scelto, sono influenzate anche dal regime di rotazione della macchina e dalla pressione all’ammissione: la temperatura di ingresso all’espansore non influenza le prestazioni della macchina in maniera significativa, ragion per cui un surriscaldamento del fluido all’ammissione può essere evitato (con risparmio sensibile anche in termini di costi), iniziando così il processo di espansione da vapore saturo secco. Si ottengono prestazioni interessanti per l’espansore scroll (in termini di rendimento) con i fluidi R365mfc e RE347mcc, anche considerando i vincoli di impatto ambientale (GWP e ODP) e di sicurezza (tossicità e infiammabilità). Viene infine realizzata l’integrazione dell’espansore scroll oggetto di studio in un sistema ORC di piccola taglia (2 kW di potenza all’albero della macchina), per il quale è possibile prevedere un’alimentazione da sorgente termica a bassa temperatura. In questo caso, con il fluido R141b si hanno le prestazioni più interessanti, compatibilmente con i vincoli in termini di regime di rotazione, pressione e temperatura all’ammissione dettati dal modello di espansore scroll considerato.