Ad azione-reazione centripeto-centrifugo

L’azienda Ebara International Corporation (www.ebaraintl.com) ha recentemente rivendicato nel brevetto US 2011/0271666 [105] un espansore bifase ad azione-reazione centripeto-centrifugo concepito per l’mpiego nei processi di liquefazione dei gas in sostituzione della tradizionale valvola di J-T, per cui il dispositivo in esame è denominato “Ebara International Cryogenic Expander” (EIC) [91].

I principali componenti di EIC sono di seguito descritti (Figura 4.9 [90] [93] [94], Figura 4.10 [104]):

– Il vessel garantisce protezione meccanica ed ignifuga (infatti l’espansore è realizzato in leghe di alluminio, che è materiale infiammabile, e generalmente il fluido di lavoro è anch’esso infiammabile). Nella parte inferiore e superiore del vessel sono presenti i condotti rispettivamente di ingresso (ad asse orizzontale) ed uscita (ad asse verticale) del fluido;

– Nell’involucro sono ubicati statore, rotore, jet-exducer, cono di condensazione e generatore elettrico; – Il fluido proveniente dal condotto inferiore del vessel è inviato nello statore, che è costituito da un anello

fisso sul quale sono ubicate molteplici alette, la cui configurazione è tale da realizzare condotti convergenti in cui il fluido circola in direzione radiale. Nello statore avviene la conversione di una aliquota dell’energia termodinamica, che è a disposizione del fluido in ingresso nell’espansore, in incremento della sua energia cinetica rotazionale (ossia in incremento del suo momento angolare);

– Il fluido in uscita dallo statore è inviato in direzione radiale nel rotore, che è una turbina ad azione- reazione centripeta ove si effettua la conversione della aliquota residua dell’energia termodinamica, che è a disposizione del fluido in ingresso nell’espansore, in incremento della sua energia cinetica rotazionale. Inoltre nel rotore si effettua la conversione dell’energia cinetica rotazionale del fluido (ossia del suo momento angolare) in energia meccanica, la quale è resa disponibile all’albero. Il fluido esce dal rotore in direzione assiale con energia cinetica rotazionale nulla (ossia con momento angolare nullo);

– Il fluido in uscita dal rotore è inviato in direzione assiale nel jet-exducer, che è una turbina a reazione pura centrifuga, ubicata superiormente rispetto al rotore e rotante in maniera solidale ad esso. Il fluido circola nel jet-exducer dentro condotti aventi configurazione elicoidale con sezione di passaggio crescente e delimitati da palettature calettate su di un albero cilindrico. Ivi ha luogo la conversione della caduta di pressione statica del fluido in incremento della sua velocità, la quale in corrispondenza della sezione di uscita del jet-exducer è diretta tangenzialmente all’albero in verso opposto alla sua rotazione. In altre parole il fluido esce da jet-exducer con elevato momento angolare opposto alla rotazione dell’albero, esercitando su quest’ultimo un ulteriore momento torcente per cui determinando un aumento dell’energia meccanica resa disponibile all’albero. La configurazione del jet-exducer è idonea per fluido sia monofase (fase liquida o fase vapore) sia bifase in corrispondenza di qualunque valore del suo titolo [105];

– Il fluido in uscita da jet-exducer è inviato nel cono di condensazione (“draft tube”), che è un componente fisso, posto superiormente al jet-exducer e costituito da condotti aventi sezione di passaggio crescente e delimitati da palettature aventi configurazione elicoidale. Tali palettature sono calettate su di un albero conico, il loro passo è piccolo all’ingresso del cono di condensazione ed aumenta progressivamente verso l’uscita, in corrispondenza della quale tali palettature assumono configurazione parallela all’asse longitudinale del dispositivo. Nel cono di condensazione ha luogo la conversione integrale dell’elevata energia cinetica rotazionale del fluido in incremento della sua pressione statica, mentre l’energia cinetica assiale del fluido è strettamente sufficiente a consentire la sua uscita dal dispositivo;

– Il generatore elettrico, ubicato inferiormente rispetto allo statore, è costituito dal rotore calettato sul medesimo albero dell’espansore e dallo statore fissato sull’involucro. Tale generatore converte l’energia meccanica dell’albero (sul quale sono calettati il rotore ed il jet-exducer) in energia elettrica. Inoltre il fluido di lavoro esegue sia il raffreddamento di tale generatore (il quale è completamente immerso nel fluido di lavoro) [91] sia la lubrificazione dei cuscinetti dell’albero (evitando l’uso di costosi sistemi di lubrificazione ad olio esterni al dispositivo) [107].

Figura 4.9. Ebara International Cryogenic (EIC) Expander [90] [93] [94].

Figura 4.10. EIC: jet-exducer, cono di condensazione [104].

Il moto del fluido lungo EIC avviene in direzione verticale in senso ascendente ossia in verso discorde al gradiente di pressione, in tal modo si evita il problema della cavitazione. Infatti qualunque bolla di vapore, a seguito del moto ascendente, circola attraverso regioni a pressione descrescente. Al contrario le bolle di vapore possono collassare nel caso in cui esse circolano attraverso regioni a pressione crescente, tale collasso rilascia elevata energia con possibili danni ai componenti e indesiderati fenomeni quali flusso turbolento e vibrazioni. Inoltre EIC consente il bilanciamento tra il carico assiale (diretto in verso ascendente) esercitato dal fluido di lavoro ed il peso proprio del dispositivo [93] [106].

Nella Figura 4.11 è rappresentata la configurazione di EIC nel caso in cui il fluido elaborato è sempre in fase liquida. In particolare EIC opera come espansore idraulico in cui il jet-exducer ed il cono di condensazione sono sostituiti da un elemento avente forma tronco-conica (“Draft tube”), il quale converte l’energia cinetica del fluido (in uscita dal rotore) in incremento della sua pressione. Nella Figura 4.11 è rappresentata la configurazione di due unità EIC collegate in serie tra di loro, in cui quella inferiore opera come espansore idraulico equella superiore come espansore bifase (“Tandem expander”) [104].

Figura 4.11. EIC: espansore idraulico, due espansori (idraulico, bifase) collegati in serie [104].

Le prime due unità di EIC sono state installate nel 2003 in Polonia in un impianto per la rimozione dell’azoto da LNG (l’evaporazione dell’azoto migliora la qualità di LNG) consentendo un notevole incremento della produzione di LNG rispetto a quella ottenuta tramite valvola J-T, stabilità di funzionamento durante oltre 10000 ore di esercizio in assenza di problemi, vibrazioni ed emissioni acustiche modeste [107] [108]. In seguito nel 2009 altre due unità di EIC sono state installate presso lo stesso impianto [89]. Nel 2012 Ebara Int. ha comunicato sul suo sito web che il valore massimo del rendimento isoentropico (misurato empiricamente) delle suddette unità di EIC installate in Polonia è risultato circa pari a 0.9.

I dispositivi EIC commercializzati dalla Ebara Intern. forniscono potenza elettrica nel range 50 ÷ 2600 kW.