Ad azione assiale

I primi studi teorici ed empirici sugli espansori bifase ad azione assiali sono stati compiuti alla fine degli anni ’70 da Comfort [56] ed agli inizi degli anni ’80 da Elliott [28].

Nel 2003 Hays ha rivendicato nel brevetto US6644062 [100] un espansore ad azione assiale in grado di elaborare tipologie di fluidi (ad es. CO2, isobutene, propano, butano, ammoniaca) che si trovano in ingresso nella fase supercritica ed in uscita nella fase di vapore saturo umido (espansore “transcritico”, Figura 4.1): – Il fluido in fase supercritica circola dapprima nella camera avente configurazione a spirale (voluta 1d) e

successivamente in uno o molteplici statori (nozzle 12d) ubicati nel corpo (25) dell’espansore, in ingresso ai quali esso è dotato tipicamente di velocità supersonica. In ciascun nozzle (12d), che è costituito dall’iniziale tratto convergente (1e) e dal successivo tratto divergente (3e), accade che l’energia termodinamica, che è a disposizione del fluido in ingresso nel dispositivo, è integralmente convertita in energia cinetica. Il fluido (5e) in uscita dal nozzle (12d) ha elevata velocità ed è nella fase di vapore saturo umido (ove le particelle liquide hanno dimensioni esigue);

– Il fluido (5e) in uscita dai nozzle (12d) nella fase di vapore saturo umido con elevata velocità è inviato verso le palettature (12) del rotore (6d). In particolare una modesta aliquota delle particelle liquide, a causa della forza centrifuga, si dirige sulla superficie interna (12a) delle suddette palettature, formando su un sottile strato (13) che si muove a diretto contatto con essa. La maggior parte delle particelle liquide si muove in sospensione nella fase vapore attraverso l’intercapedine compresa tra due palette adiacenti (6f). Nel rotore ha luogo la conversione dell’energia cinetica del fluido in energia meccanica, che è resa disponibile per la movimentazione dell’albero (7d), supportato dalla coppia di cuscinetti (8d), e può essere usata per la movimentazione del compressore (10d) e/o per la produzione di energia elettrica tramite un generatore elettrico, entrambi calettati sul medesimo albero (7d).. La aliquota di fluido in fase liquida (13) a diretto contatto con la superficie delle palette (12a) e la aliquota di fluido nella fase di vapore saturo umido (6f) escono separatamente dalla testa di ciascuna paletta rotorica rispettivamente secondo le direzioni (14) e (15), entrambe tangenti al profilo della paletta;

– Il fluido in uscita dalle palettate rotoriche (2d) nella fase di vapore saturo umido circola nel condotto ad asse curvilineo (4d), in particolare la aliquota in fase liquida si dirige verso la parete interna muovendosi a diretto contatto con essa. Il fluido in condizioni bifase esce secondo l’asse verticale (5d);

Nella Figura 4.2 è rappresentato il render del prototipo di espansore transcritico ad azione assiale sul quale sono stati condotti test empirici usando il fluido R134a: tale dispositivo è ad asse orizzontale, a singolo nozzle, diametro del rotore pari a 71 mm, altezza delle palette rotoriche pari a 7.6 mm, velocità di rotazione pari a 12.800 rpm, potenza elettrica prodotta pari a 310 W e rendimento misurato circa pari a 0.56 [26].

Figura 4.1. Espansore transcritico ad azione assiale: complessivo, statore, rotore [100].

Figura 4.2. Espansore transcritico ad azione assiale: render del prototipo [26].

Nel 2006 Hays ha rivendicato nel brevetto US7093503 [101] l’espansore bifase ad azione assiale “Variable Phase Turbine” (VPT) ad asse orizzontale in grado di operare con fluidi in fase liquida o vapore surriscaldato o vapore saturo umido tramite l’uso di statori aventi idonee configurazioni (Figura 4.3):

– Il fluido (120) circola in sequenza nel condotto di ingresso (1), nel collettore (2) e nei molteplici statori rimovibili (3). Nella Figura 4.3 sono rappresentate tre configurazioni dello statore, ciascuna delle quali è idonea in relazione alla fase del fluido: a) nel caso in cui il fluido è nella fase di vapore saturo umido allora il nozzle è costituito da un condotto convergente-divergente anteriormente al quale è posta la piastra forata (30) allo scopo di determinare una distribuzione uniforme del fluido in ingresso nel nozzle ed inoltre la lunghezza del condotto divergente è elevata allo scopo di determinare un graduale gradiente di pressione evitando eccessivo attrito tra le due fasi; b) nel caso in cui il fluido è nella fase di vapore surriscaldato allora il nozzle è costituito da un iniziale condotto cilindrico (32b) avente elevata sezione trasversale e da un successivo condotto convergente (34) e divergente (32a) avente modesta lunghezza, al fine di minimizzare le perdite per attrito tra le pareti dei condotti ed il fluido; c) nel caso in cui il fluido è in fase liquida allora il nozzle è costituito da un iniziale condotto cilindrico (32bb) avente elevata sezione trasversale e da un successivo condotto convergente (35) avente modesta lunghezza al fine di minimizzare le perdite per attrito tra il fluido e le pareti dei condotti;

– Gli statori (3) sono posizionati in maniera tale che il fluido da essi in uscita è diretto tangenzialmente alle palettature (5), facilmente sostituibili, del rotore (6) calettato sull’albero (12). Il fluido circola assialmente attraverso il rotore, ove ha luogo la conversione della sua energia cinetica in energia meccanica, che è resa disponibile per la movimentazione dell’albero (12), sul quale è calettato il rotore (13) del generatore elettrico. A seguito della rotazione del rotore (13) si ottiene la produzione di energia elettrica nello statore (14) di tale generatore in assenza di qualunque riduttore meccanico che collega l’albero dell’espansore bifase a quello del generatore elettrico;

– Il fluido in uscita dal rotore (6) circola attraverso il condotto ad asse curvilineo (7a), tramite il quale fuoriesce dall’espansore secondo l’asse verticale (10);

– Il fluido in fase liquida (21) in ingresso nell’espansore tramite il condotto orizzontale (21a) circola nella pompa (20) calettata sull’albero (12), in seguito è usato sia per la lubrificazione dei due cuscinetti (17) che supportano tale albero sia per il raffreddamento del generatore elettrico, uscendo dall‘espansore attraverso il condotto ad asse verticale (24a) ubicato in prossimità della mezzeria dell’espansore.

Figura 4.3. VPT: complessivo, tipologie di statori, prototipo di statore e rotore [101].

Nel 2010 Hays ha rivendicato nel brevetto US2010/0111669 [71] una differente tipologia di “Variable Phase Turbine” (VPT-RS) ad asse verticale in grado di operare con fluidi (ad es. R134a, CO2, CH4, acqua) presenti in una delle seguenti fasi tramite regolazione automatica della configurazione degli statori [71]:

– Vapore saturo umido oppure fase supercritica durante l’intero processo dalla sezione di ingresso a quella di uscita della VPT;

– Fase supercritica nella sezione di ingresso, vapore saturo umido o vapore surriscaldato in quella di uscita della VPT;

– Fase di liquido saturo (oppure sottoraffreddato) nella sezione di ingresso, vapore saturo umido oppure vapore surriscaldato in quella di uscita della VPT (nel secondo caso hanno luogo le trasformazioni di fase liquido – vapore saturo umido – vapore surriscaldato).

Nella Figura 4.4 è rappresentato lo schema della VPT-RS [71]:

– Il fluido è inviato nella VPT attraverso il condotto (30) posto nella parte superiore e poi, circolando attraverso il condotto anulare (44), giunge fino alla sezione di ingresso (18) di molteplici statori (nozzle) equidistanziati in direzione circonferenziale;

– Ciascuno statore è costituito da un condotto convergente-divergente De Laval, all’interno del quale anteriormente si trova un dispositivo avente la forma conica denominato “pintle” (10). Quest’ultimo è in grado di traslare parallelamente all’asse longitudinale del nozzle, determinando la variazione dell’area della sezione trasversale del condotto convergente e di conseguenza dell’energia cinetica del fluido al fine di massimizzare l’efficienza dello statore e di minimizzare le dimensioni delle eventuali particelle liquide in uscita dal nozzle (ottenendo un sistema bifase omogeneo in uscita dal singolo nozzle in maniera tale da massimizzare l’efficienza delle palettature rotoriche sulle quali incide tale sistema). La movimentazione del pintle (10) è eseguita dall’attuatore (160), che è comandato dal sistema di regolazione-controllo in cui è implementato un opportuno codice di calcolo, quest’ultimo determina la configurazione del nozzle in relazione alla fase in cui si trova il fluido in ingresso. Nello statore avviene la conversione dell’intera energia termodinamica, che è a disposizione del fluido in ingresso nell’espansore, in incremento della sua energia cinetica. In particolare il fluido, ad elevata pressione e bassa velocità, è inviato nella sezione di ingresso (1) dello statore ed in seguito circola nel tratto anteriore convergente (101) ove si manifesta la diminuzione della sua pressione. La piastrina (7), dotata di parete interna concava (7a), determina la circolazione della eventuale fase liquida verso la regione interna dello statore ove circola la fase vapore (evitando che la fase liquida rimanga a contatto diretto con le pareti interne dello statore) consentendo la miscelazione tra le due fasi in maniera tale che il fluido sia costituito dalla fase vapore al cui interno le particelle liquide sono distribuite uniformemente in sospensione. La fase vapore, essendo soggetta ad un’accelerazione maggiore rispetto a quella liquida, circola attraverso le particelle liquide (8) esercitando su di esse forze di taglio tali da determinare la loro disgregazione e la conseguente formazione di particelle liquide (9) aventi minori dimensioni, ottenendo una migliore miscelazione tra le due fasi;

– Il fluido in fase di vapore saturo umido o supercritica o vapore surriscaldato, avente elevata energia cinetica nella sezione di uscita del singolo statore (19’), incide tangenzialmente (in maniera tale da ridurre le perdite per attrito) sulle palettature (20) del rotore (21) calettato sull’albero (22), quest’ultimo è supportato dalla coppia di cuscinetti (25). Nel rotore avviene la conversione dell’energia cinetica del fluido in energia meccanica, impiegata per la movimentazione del rotore (21). La configurazione delle palette deve essere dimensionata in relazione alla fase del fluido. Nella sezione di uscita (23) del rotore (21) l’eventuale fase liquida si dirige verso un condotto posto in prossimità della parete dell’involucro (110), ottenendo la sua separazione rispetto alla fase vapore;

– Il rotore (26) del generatore elettrico è calettato sull’albero (22), pertanto a seguito della sua rotazione si determina la produzione di energia elettrica nello statore (27) del generatore stesso. L’energia elettrica prodotta è prelevata da un mezzo conduttore filiforme (27a), collegato elettricamente alla parte superiore dello statore (27), e da esso trasmessa fino all’uscita (41a);

– La prima aliquota del fluido nella sezione di ingresso (30) della VPT-RS è dapprima inviata verso la coppia di cuscinetti (25), che supportano l’albero (22), al fine di eseguirne sia la lubrificazione sia il raffreddamento, la seconda aliquota è dapprima inviata nell’intercapedine (32) compresa tra lo statore (27) ed il rotore (26) del generatore elettrico al fine di effettuarne il raffreddamento (in tale modo il generatore elettrico si trova completamente immerso nel fluido di lavoro). In seguito entrambe tali aliquote, circolando nel condotto (35) interno all’albero (22), si immettono nel condotto di uscita delimitato dall’involucro (110).

Nella Figura 4.4 sono illustrati lo statore ed il rotore di una VPT adoperata in sostituzione della valvola J-T in un impianto LNG [27].

Figura 4.4. VPT-RS: schema (complessivo, parti superiore ed inferiore, statore), statore e rotore [71] [27]. La VPT-RS presenta i seguenti principali vantaggi: assenza di guarnizioni dell’albero (in tale modo si evitano trafilamenti), assenza di riduttori meccanici per il collegamento tra l’albero dell’espansore ed il generatore elettrico, assenza di sistemi di lubrificazione ad olio, velocità del fluido bifase non elevata con conseguente riduzione dell’erosione, modularità [27] [102].

L’azienda Energent Corporation (www.energent.net) commercializza l’espansore VPT, che ha tipicamente un rendimento isoentropico maggiore di 0.8 (valore empirico), in particolare il rendimento dello statore e quello del rotore sono compresi rispettivamente nei range 0.9 ÷ 0.97 e 0.78 ÷ 0.85 [27] [102].

La suddetta azienda fornisce, sul suo sito web, una lista di 130 unità di VPT, installate in altrettanti siti, con taglie nel range 1 ÷ 1600 kWe, in particolare 75 unità sono state impiegate in sostituzione di altrettante tradizionali valvole di laminazione in chillers ad assorbimento commercializzati dall’azienda Carrier. A tale proposito nella Figura 4.5 [27] è rappresentata una VPT della Energent installata nel chiller della Carrier

modello 19XRT, che produce 15 kWe consentendo un incremento del 7 ÷ 8% del rendimento del chiller. Inoltre nel Luglio 2011 a Coso Geothermal (California) il Dipartimento dell’Energia (DOE) degli USA ha iniziato ad eseguire test empirici su di un impianto dimostrativo avente potenza pari a 1 MWe per la produzione di energia elettrica da fonte geotermica a temperatura circa pari a 113 °C, in cui il fluido di lavoro evolve in accordo al “Trilateral Flash Cycle” (TFC) in cui si adopera una VPT della Energent [102].

Figura 4.5. VPT (Energent) installata nel chiller Carrier [27].