Prove preliminari su un banco prova per fluidi organici

The importance of Organic Rankine Cycles (ORC) in the field of power generation and the lack of documentation on physical and chemical properties of the fluids of interest suggested the construction of a Test Rig for Organic Vapours, which has been built at the Fluid-Dynamics of Turbomachines Laboratory at Politecnico di Milano. This facility is expected to provide experimental data in order to validate numerical models available for fluid-dynamic calculation on organic fluid flows and, consequently, an improvement of performances of turbomachinery applied in ORC plants. In this work, a data acquisition system has been realized and tested using air as working fluid, in order to prepare the test rig for the next tests with organic fluids. The acquisition system acquires temperatures and pressures in the test section, that is a planar convergent-divergent nozzle. After a first set-up of the test rig, in which the control system and the plant seal have been improved, the calibration of measurement instruments (a thermocouple and many piezoresistive pressure transducers) has been carried out. The calibration of piezoresistive transducers has been done at many different temperatures, due to the sensible thermal variation in the test section during the experiments. Subsequently, a system for the measurement of a reference pressure has been realized, in order to solve some drift problems exhibited by absolute transducers. The following step has been the realization of the data acquisition software, made with LabVIEW, and its interface with the control software, which has been realized previously and implemented on another machine. The latter software has also been modified in the present work. The system has been tested carrying out some preliminary experiments on the test rig, using air as working fluid; the tests were based on data obtained by CFD calculations. The experimental data has been compared with numerical results. The comparison showed an optimum agreement between the calculated and the measured flow field, proving the reliability of the test system designed. Afterward, a preliminary study on the LDV system has been performed; this technique will be adopted in the future for measuring the fluid velocity in the test section. For this purpose, materials and dimensions for seeding particles have been chosen by means of a calculation of the difference in velocity between the flow and the particles. Finally, a possible solution for particle insemination has been illustrated.

L'importanza crescente dei cicli ORC nel campo della produzione di potenza e la scarsa documentazione relativa alle proprietà fisiche e chimiche dei fluidi di interesse hanno suggerito la realizzazione di un banco prova per fluidi organici, il quale è stato costruito al Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano. Da esso, è atteso l'ottenimento di dati sperimentali atti a validare i modelli numerici utilizzati attualmente per i fluidi organici e, di conseguenza, migliorare le prestazioni delle attuali turbine utilizzate negli impianti ORC. Il presente lavoro di tesi si pone lo scopo di realizzare e testare su aria un sistema di acquisizione dei dati d'interesse (temperatura, pressione) nella sezione di prova, la quale è costituita da un ugello convergente-divergente, in modo da approntare l'impianto per le successive prove su fluido organico. Dopo un primo set-up dell'impianto, nel quale si è cercato di migliorare le tenute di fluido ed il sistema di controllo, è stata effettuata la taratura degli strumenti di acquisizione, costituiti da trasduttori di pressione piezoresistivi e da una termocoppia. A causa delle sensibili variazioni di temperatura della sezione di prova, la calibrazione dei trasduttori piezoresistivi è stata effettuata anche in temperatura. E' stato poi adottato un sistema di acquisizione di una pressione di riferimento per i trasduttori assoluti, con lo scopo di risolvere alcuni problemi di deriva temporale dei trasduttori sorti durante le tarature. Successivamente, è stato realizzato il programma di acquisizione tramite LabVIEW, interfacciandolo con il software di controllo, già implementato precedentemente su un'altra macchina e modificato opportunamente nel presente lavoro. Il sistema di prova (regolazione / acquisizione) è stato testato effettuando alcune prove preliminari utilizzando aria secca come fluido di lavoro, basate sui dati ottenuti da alcuni calcoli CFD, per poi confrontare i dati sperimentali con quelli numerici. Il confronto ha mostrato ottimo accordo, a conferma della bontà del sistema di prova realizzato. Inoltre, è stato eseguito uno studio preliminare sulla tecnica LDV, che verrà utilizzata per misurare la velocità del flusso nella sezione di prova; a questo proposito, sono stati scelti i materiali più adatti e le dimensioni delle particelle da inseminare, calcolandone la differenza di velocità rispetto a quella del flusso; infine, data la particolare applicazione in un impianto chiuso, è stata illustrata una possibile soluzione da adottare in futuro per l'inseminazione delle particelle.