di Luca Cioccolanti
(Rinnovabili.it) – Inizialmente programmato a Monaco di Baviera, si è recente concluso il 6° Seminario Internazionale dal titolo “ORC Power Systems” tenutosi online nei giorni 11-13 Ottobre 2021. L’evento è stato l’occasione di incontro virtuale per ricercatori accademici, industrie di settore e stakeholders per discutere dei più recenti progressi nell’ambito dei sistemi a ciclo Rankine a fluido organico (ORC).
Questo articolo vuole essere il primo di una serie nella quale verranno discussi alcune delle ricerche in tale ambito.
Un impianto Rankine a fluido organico è molto simile ad un impianto a vapore con la sostanziale differenza di utilizzare fluidi organici che sono in grado di evaporare a temperature molto più basse se comparate con l’acqua. Tale caratteristica, unitamente ad altre, rende questi sistemi particolarmente adatti nelle applicazioni per il recupero termico e per lo sfruttamento di energie rinnovabili quali quelle solari, la biomassa o la geotermia.
Senza entrare nel dettaglio del funzionamento di questi sistemi, il lettore interessato è invitato a consultare un precedente articolo pubblicato dall’Ing. Lorenzo Talluri su Rinnovabili.it.
In questo articolo, l’attenzione è posta sull’espansore ovvero quel componente mediante il quale avviene la produzione di energia meccanica. In particolare, sugli espansori generalmente utilizzati nell’ambito della piccola scala dove questo componente rappresenta ancor più l’elemento chiave per prestazioni, affidabilità e costo. Fondamentalmente, gli espansori possono essere classificati in espansori dinamici ed espansori volumetrici.
Nei primi, il fluido cede energia alla macchina per mezzo della variazione della sua quantità di moto. Al contrario, negli espansori volumetrici il fluido cede energia a seguito della variazioni di volume a sua disposizione. Con riferimento agli espansori dinamici o turbomacchine, questi sono soggetti ad alcuni vincoli tecnici particolarmente gravosi per gli impianti ORC di piccola scala come alte velocità di rotazione della girante per raggiungere il numero di Mach nominale delle pale della turbina e alte efficienze isentropiche di conversione. Inoltre, lo sviluppo delle turbomacchine è solitamente più costoso di quello degli espansori volumetrici, rendendo così tale tipologia di espansori più adatta ad applicazioni superiori a 50 kW.
Per quanto riguarda le macchine volumetriche, invece, queste sono caratterizzate da portate e velocità dell’albero inferiori e rapporti di pressione più elevati rispetto alle turbine dinamiche. Finora, la maggior parte degli espansori volumetrici utilizzati nella generazione di energia sono compressori inizialmente progettati per applicazioni di condizionamento e refrigerazione e successivamente convertiti per essere utilizzati come espansori. Tra queste tipologie di macchine si annoverano gli espansori a pistoni, quelli a vani, gli espansori a vite e gli scroll. In letteratura, numerosi ricercatori hanno affrontato lo studio di questi espansori e in alcuni casi condotto analisi comparative. Ad esempio i ricercatori O. Dumont et al. dell’Università di Liegi – Belgio, hanno confrontato quattro tipologie di espansori volumetrici differenti nella gamma di potenze 1-10 kWe. L’espansore scroll si è dimostrato come quello in grado di raggiungere la migliore efficienza di conversione dimostrandosi quindi un’ottima scelta nel campo della micro scala.
La tabella sotto riporta i principali parametri di prestazione degli espansori utilizzati nei sistemi ORC su piccola scala. I dati prestazionali di questi espansori sono stati presi dallo studio di M. Imran et al., se non diversamente specificato, trascurando alcuni casi peculiari in cui le condizioni di lavoro o le prestazioni erano molto al di fuori del range degli altri valori. Inoltre, le velocità di rotazione non definiscono i limiti dei valori possibili ma descrivono il campo di applicabilità studiato in letteratura. In aggiunta a questi, anche la turbina Tesla è stata considerata come un interessante dispositivo di espansione in sistemi ORC su piccola scala in alcuni studi recenti (An upgraded Tesla turbine concept for ORC applications e Experimental investigation of an Organic Rankine Cycle Tesla turbine working with R1233zd). È interessante notare che i dati sulle prestazioni delle turbine Tesla riportati nella tabella provengono da un’esperienza in corso in sistemi di alimentazione su piccola scala, mentre le altre sono tecnologie più mature e hanno mostrato efficienze isoentropiche di conversione più elevate.
Intervallo dei principali parametri di prestazione di alcuni espansori utilizzati nei sistemi ORC di piccola-scala
| Parametro | Espansori a pistoni | Espansori a vite | Espansori scroll | Espansori Tesla |
| Massima velocità di rotazione [RPM] | 3,100 | 6,000 | 5,000 | 8,000 |
| Massimo BVR* [-] | 15 | 6 | 4.57 | N.D. |
| Massimo rapporto di espansione [-] | 4.5 | 10.2 | 10.6 | N.D. |
| Potenza [kW] | 0.004-1.64 | 1.1-800 | 0.0002-12 | 0.05-30 |
| Efficienza [%] | 10-76 | 20-88 | 20-86 | 20-60 |
* BVR= Built-in Volume Ratio
Recentemente, alcuni ricercatori dell’Università eCampus si sono interessati ad un’ulteriore tipologia di espansore: la turbina a canali periferici o turbina a flusso rigenerativo. Si tratta di una tipologia già impiegata nell’ambito delle turbomacchine operatrici data la sua capacità di realizzare elevati rapporti di compressione e di operare anche con fluidi bifasici. L’impiego come espansore, invece, è ancora scarsamente studiato a seguito della limitata efficienza di conversione se paragonata con gli espansori di cui sopra. Tuttavia, interessanti scenari applicativi si potrebbero aprire anche per questa tipologia di macchina che sarà oggetto di discussione nel prossimo articolo.