Indagine su un nuovo espansore rotativo a palette invertite : studio della cinematica e considerazioni preliminari di sviluppo

The goal of the present thesis work is to start the research of a possible positive displacement expander, necessary to the fulfilment of a test bench under research at the Energy Department of Politecnico di Milano; the design of this small scale plant is necessary to prove the viability of an innovative non-soluble gas and non-volatile liquid cycle. Due to the test bench dimensions and the characteristics of the cycle, the power output of the machine must be low, approximately 10 kW, and the expander must ensure reliability for an inlet fluid temperature computable over 400 °C. A lack of data and of design solutions pertaining to the specific constraints of the study has been confirmed through an accurate bibliographic review, which, firstly, identifies the Wankel machine as a the best commercial basis for a possible redesign, and, secondly, leads to the proposal of a new positive displacement expander, throughout the information coming from the analysis of another positive displacement machine, the Rolling Piston type expander. The rotating machine presented as a solution is characterized by two dynamic sealing vanes, placed in the housing, and can control the inlet- and exhaust-port opening on its own. A geometric and kinematic model of the machine has been developed and a parametric analysis has been carried out to define an optimal configuration of the expander itself. Furthermore, a preliminary dynamic model has been implemented to evaluate the order of magnitude and the feasibility of the sealing system. The validation of the geometric and kinematic results has been achieved through CAD software (AutoCAD, SolidWorks), using specific features, such as SolidWorks Motion. Furthermore, the analysis focuses on the port timing and the function of the intake port variable area has been determined to estimate the order of magnitude of pressure drop across the inlet section by means of a preliminary formulation; the results prove an average pressure loss around 2÷3%, even adopting a coefficient of efflux of 0,5. Ultimately, a geometrical comparison between the new machine and the Wankel expander has been carried out, focusing in particular on the housing dimensions. The output of the entire analysis demonstrates the potential of the reversed vane expander, capable of managing intake and exhaust without a valve system and dimensionally comparable to the Wankel expander: for a power output around 10 kW, a cylindrical housing of 12 cm radius and 9,9 cm axis is needed.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è di dare inizio alla ricerca di un possibile espansore volumetrico, necessario alla realizzazione di un impianto dimostrativo in fase di studio presso il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano; tale impianto è finalizzato a dimostrare le potenzialità di un ciclo innovativo a gas non solubile e liquido non volatile (ciclo gas-liquido). Le dimensioni dell’impianto di prova e le caratteristiche del ciclo gas-liquido impongono che la macchina sia di piccola taglia, compresa in un intorno di 10 kW, e che sia in grado di espandere un fluido in ingresso a temperatura superiore ai 400°C. Partendo dagli studi attinenti disponibili in letteratura e preso atto dell’inesistenza di soluzioni compatibili alle condizioni in esame, si individua prima la macchina Wankel come migliore base di sviluppo disponibile in commercio e si giunge poi, attraverso le indicazioni ottenute dall’analisi di un altro espansore volumetrico, di tipo Rolling Piston, alla proposta di un espansore volumetrico caratterizzato da una nuova geometria: una macchina a rotativa con palette di tenuta mobili inglobate nello statore in grado di gestire autonomamente il controllo delle luci di immissione e scarico del fluido di lavoro. La nuova macchina viene definita dal punto di vista geometrico e cinematico: una analisi parametrica ne individua la migliore configurazione. Uno studio dinamico preliminare, poi, è effettuato per determinare l’ordine di grandezza e la realizzabilità del sistema di tenuta. La validazione dei risultati geometrici e cinematici è effettuata attraverso software CAD (AutoCAD, SolidWorks), di cui si utilizzano specifiche features cinematiche (SolidWorks Motion). Si sviluppa, quindi, l’analisi della fasatura, determinando l’evoluzione dell’area della luce di immissione durante la rotazione del rotore e si determina l’ordine di grandezza delle cadute di pressione sulla sezione attraverso un calcolo preliminare, che mostra una entità della laminazione mediamente dell’ordine del 2÷3% anche adottando un coefficiente di efflusso di primo tentativo pari a 0,5. Si conclude la trattazione con un confronto geometrico tra la nuova macchina e l’espansore Wankel, con particolare attenzione agli ingombri delle due architetture. I risultati mostrano che la macchina a palette invertite risulta una soluzione di particolare interesse, in grado di gestire la fase di immissione e scarico senza l’utilizzo di valvole e di dimensioni ampiamente comparabili con la macchina Wankel: la cassa statorica dell’espansore, pensato per una potenza di circa 10 kW, risulta un cilindro con raggio 12 cm e altezza 9,9 cm.