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01 - Tesi di dottorato >

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/10990/266

Autori: Clemente, Stefano
Supervisore non afferente all'Università: MICHELI, DIEGO
Centro di ricerca: DIPARTIMENTO INGEGNERIA ELETTRICA GESTIONALE MECCANICA - DIEG
Titolo: Small scale cogeneration systems based on organic Rankine cycle technology
Abstract: La tecnologia dei cicli Rankine a fluido organico (Organic Rankine Cycle, ORC) rappresenta una delle soluzioni più studiate per il recupero termico a partire da fonti di calore a bassa temperatura, grazie alle sue caratteristiche peculiari, come gli interessanti valori di rendimento, la possibilità di operare a basse pressioni e la sua intrinseca compatibilità con la cogenerazione. Lo scopo della presente tesi è quello di contribuire alla conoscenza sugli ORC, in particolare sulle applicazioni di taglia domestica, ad oggi quelle meno sfruttate commercialmente. La ricerca si basa sull'analisi dello stato dell'arte, sullo sviluppo di modelli numerici e sull'attività sperimentale su prototipi progettati e costruiti per lo scopo. L'analisi bibliografica, condotta durante l'intero svolgimento del Dottorato di Ricerca e riportata nel presente documento, ha evidenziato le grandi potenzialità di un sistema ORC nel range di potenza di pochi kWe e ha permesso di confrontare i risultati ottenuti dai diversi gruppi di ricerca focalizzati sull'argomento. I modelli numerici sono stati dapprima incentrati sull'espansore, uno dei componenti più critici del sistema: in particolare, sono stati implementati codici dedicati per un espansore scroll, soluzione frequentemente adottata sui sistemi di piccola scala, e per una macchina a pistone, studiata come possibile alternativa. Le analisi hanno evidenziato prestazioni decisamente buone per entrambi gli espansori, con valori del rendimento globale isentropico superiori a 0.60. Questi codici numerici sono stati successivamente inseriti in dei modelli globali del cogeneratore, implementati con diversi software commerciali: questi strumenti hanno permesso di simulare il comportamento del sistema in un ampio spettro di condizioni operative e con vari fluidi di lavoro. Il rendimento elettrico raggiungibile è stato stimato su valori compresi tra 0.08 e 0.12, rappresentando questi delle prestazioni molto interessanti, in considerazione delle basse temperature operative e della piccola taglia dei dispositivi. Lo studio è stato completato da due distinte attività sperimentali. Per primo è stato sviluppato un banco prova pompe, con lo scopo di verificare la compatibilità di una pompa, originariamente progettata per oli leggeri, con l'installazione in sistemi ORC di piccola taglia. La misura delle prestazioni della pompa ha evidenziato come questa possa essere un'opzione valida, grazie al suo alto rendimento accoppiato ai bassi costi, anche se sono necessari ulteriori test per confermare i risultati ed analizzare alcuni problemi operativi prima di poter trarre delle conclusioni definitive. Infine, è stato testato un primo prototipo di cogeneratore completo: questa attività sperimentale ha confermato le prestazioni attese dall'analisi bibliografica e previste dagli studi numerici, ma ha evidenziato anche la necessità di alcuni miglioramenti sul sistema, per poter raggiungere prestazioni migliori e ridurre i costi. Questi rappresentano gli sviluppi futuri del lavoro descritto nella presente tesi, con lo scopo finale di realizzare un prototipo tecnicamente ed economicamente vantaggioso.
Abstract (in inglese): The Organic Rankine Cycle (ORC) technology represents one of the most studied solutions for the heat recovery from low temperature thermal sources, due to its peculiar features, such as the notable efficiencies, the possibility of operating at low pressures and its intrinsic suitability for cogeneration. The present thesis is aimed to contribute to the knowledge on ORCs, in particular on the domestic size applications, today the less commercially exploited. The research is based on the analysis of the state of the art, on the development of numerical models and on experimental activities on prototypes properly designed and built. The literature review conducted during the whole PhD program and reported in the present document highlighted the great potential of an ORC system in the range of power of few kWe and allowed to compare the results achieved by different researches on this topic. The numerical models focused first on the expander, one of the most critical components of the system: in particular, dedicated codes have been implemented for a scroll expander, a solution widely adopted on systems of such a low scale, and for a reciprocating machine, studied as a possible alternative. The analyses revealed very good performances for the devices, with overall isentropic efficiencies exceeding 0.60. These numerical codes have been then included in the global models of the cogenerator, implemented with different commercial software packages: these tools allowed the prediction of the system behavior in a wide range of working conditions and with several operating fluids. The values for the achievable electrical efficiency have been estimated between 0.08 and 0.12, meaning very interesting performances, in consideration of the low operating temperatures and of the small scale. The study has been completed by two experimental activities. First, a pump test bench has been developed, with the aim of verifying the suitability of a gear pump, originally designed for light oils, for the installation in small scale ORC systems. The measurement of the pump performances revealed that this can be a valid option, thanks to its efficient operations coupled with low costs, even if more tests are needed in order to confirm the results and to analyze some functioning problems before a final assessment could be drawn. Finally, a first prototype of cogenerator has been tested: the experimental activity confirmed the performances expected from the literature review and predicted by the numerical studies, but highlighted also the need for some improvements in order to achieve better performances and to reduce the costs. These represent the future developments of the work described in the present thesis, with the final aim of defining a technically and economically feasible design of a small scale ORC cogenerator.
Parole chiave: ORC; Ciclo Rankine a fluido organico; Cogenerazione; CHP; Simulazione numerica; Attività sperimentale
Parole chiave: ORC; Organic Rankine cycle; Cogeneration; CHP; Numerical simulation; Experimental test
MIUR : Settore ING-IND/08 - Macchine A Fluido
Lingua: eng
Data: 6-giu-2013
Corso di dottorato: Dottorato di ricerca in Tecnologie chimiche ed energetiche
Ciclo di dottorato: 25
Università di conseguimento titolo: Università degli Studi di Udine
Luogo di discussione: Udine
Citazione: Clemente, S. Small scale cogeneration systems based on organic Rankine cycle technology. (Doctoral Thesis, Università degli Studi di Udine, 2013).
In01 - Tesi di dottorato

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