Ad azione tangenziale

Nel presente Par.4.3.2 sono descritte due tipologie di espansore bifase ad azione tangenziale, in particolare “Rotary Separator Turbine” e “Pelton”.

4.3.2.1. Rotary Separator Turbine

Nella Figura 4.6 è rappresentato l’espansore bifase ad azione tangenziale denominato “Rotary Separator Turbine” (RST) o “Biphase Turbine”, costituito principalmente da molteplici statori equidistanziati secondo la direzione circonferenziale dell’involucro, il rotore cilindrico, l’albero del rotore [24] [25]:

– Ciascuno statore è un ugello De Laval ove avviene la conversione dell’intera energia termodinamica, che è a disposizione del fluido in ingresso nell’espansore, in incremento della sua energia cinetica. La fase vapore, poiché ha densità minore rispetto a quella liquida, è soggetta ad un’accelerazione maggiore, per cui circola attraverso le particelle liquide esercitando su di esse forze di taglio tali da determinare la loro disgregazione in particelle aventi dimensioni molto minori. Pertanto il fluido in uscita dal singolo statore ha elevata velocità ed è costituito dalla fase vapore al cui interno le particelle liquide sono distribuite uniformemente in sospensione;

– Il fluido in fase di vapore saturo umido in uscita dal singolo statore in seguito urta quasi tangenzialmente (in maniera tale da ridurre le perdite per attrito) contro la superficie cilindrica interna del rotore, che è priva di palettature. Le forze di attrito, esistenti tra la fase liquida e la suddetta superficie, determinano la conversione dell’energia cinetica di tale fase liquida in energia meccanica, che è usata per movimentare il rotore a cui è collegato il generatore elettrico. Successivamente avviene la separazione tra la fase vapore e la fase liquida a causa della differente forza centrifuga agente su di esse e causata dalla rotazione del rotore. In particolare la fase liquida, soggetta ad elevata forza centrifuga, forma un sottile strato sulla superficie cilindrica interna del rotore mentre la fase vapore circola nella regione interna del rotore ed esce in direzione assiale attraversando le palettature del rotore ubicate in corrispondenza della sua base inferiore (“Gas blading”);

– Il fluido in fase liquida, presente sulla superficie interna del rotore, può essere adoperato secondo le seguenti modalità tra di loro alternative:

a) La fase liquida circola radialmente dalla superficie interna del rotore verso molteplici ugelli ubicati sulla superficie esterna del rotore e rotanti in maniera solidale ad esso. Tale fase è soggetta ad elevata pressione in corrispondenza del raggio esterno degli ugelli a causa della forza centrifuga. All’interno degli ugelli avviene la conversione dell’energia di pressione in energia cinetica, la quale determina sul rotore un ulteriore momento torcente motore;

b) La fase liquida è inviata in un diffusore stazionario (posto in corrispondenza della superficie interna del rotore cilindrico) ove avviene la conversione della sua energia cinetica residua in incremento della sua pressione [57] [103];

c) La fase liquida circola in una paletta (“scoop”) di tipo Pelton (ubicata in corrispondenza della superficie interna del rotore) ove avviene la conversione della sua energia cinetica residua in energia meccanica resa disponibile all’albero, a cui la paletta ed il rotore sono solidali [74];

d) La fase liquida è inviata in una turbina idraulica ove si effettua la conversione della sua energia cinetica residua in energia meccanica o elettrica;

– La fase vapore in uscita dalla RST può essere adoperata in una tradizionale turbina a vapore per la conversione della sua energia termodinamica in energia meccanica.

Figura 4.6. RST: complessivo [24], RST con diffusore [57] o con paletta [74].

La RST è idonea nei processi di separazione della fase liquida rispetto alla fase vapore nel caso di fluidi monocomponente (ad es. acqua) o multicomponente (ad es. disidratazione dell’olio) [24] [103]. Tale processo (“turboseparazione”) richiede un tempo molto minore (alcuni secondi) rispetto ai tradizionali separatori statici a gravità (alcune decine di minuti), con conseguenti minori ingombri e pesi [24] [119]. I primi test empirici su un RST sono stati compiuti agli inizi degli anni ’80 dall’azienda Transamerica Delaval in un impianto per la separazione della CO2 dal Selexol e per la produzione di energia elettrica da sorgente geotermica a liquido dominante [103]. Nel 2003 una RST è stata installata presso la piattaforma petrolifera off-shore della Shell e denominata “Mars” ubicata nel golfo del Messico per eseguire la separazione del liquido dal gas [24]. Attualmente tale tecnologia è commercializzata dall’azienda Dresser-rand (Figura 4.7), in particolare RST “Iris” è adoperato negli impianti oil&gas a monte dei compressori per la rimozione del liquido dal vapore (piccole quantità di liquido possono comportare danni ai compressori). Test empirici hanno dimostrato che l’efficienza di separazione può essere pari a 99.99% [118]. Ulteriori sviluppi di tale tecnologia hanno consentito l’integrazione di una RST in un compressore centrifugo multistadio [119].

Il rendimento adiabatico di tale dispositivo è molto modesto, in particolare dell’ordine di 0.35 (valore empirico) nel caso in cui la fase liquida circola in accordo alla modalità c) di cui sopra [74].

Figura 4.7. RST “Iris” (Dresser-Rand) [118].

4.3.2.2. Pelton

Nella Figura 4.8 è rappresentato un espansore bifase ad azione tangenziale Pelton [95]:

– Il fluido nella fase di liquido sottoraffreddato o saturo circola nello statore (nozzle) ove avviene la conversione integrale della sua energia termodinamica in incremento della sua energia cinetica, con conseguente evaporazione di una aliquota della fase liquida (pertanto il fluido esce da tale componente nella fase di vapore saturo umido con elevata velocità V2). Lo statore è un ugello De Laval convergente- divergente dimensionato in maniera tale da ottenere in uscita un fluido bifase omogeneo diretto verso le palette rotoriche. Impiegando due nozzle contrapposti si ottiene il bilanciamento dei carichi sul rotore; – Il fluido in uscita dallo statore urta tangenzialmente la singola paletta del rotore, quest’ultimo costituito da

molteplici palette identiche equidistribuite in direzione circonferenziale. La singola paletta è costituita da due parti concave uguali, ciascuna avente la forma di un cucchiaio e collegata ad un’estremità ad un

“coltello”, quest’ultimo suddivide il getto di fluido incidente in due aliquote uguali, ciascuna delle quali circola separatamente nella rispettiva parte concava della paletta. In tale modo si ottiene la conversione dell’energia cinetica del fluido in energia meccanica, resa disponibile all’albero.

Figura 4.8. Espansore bifase ad azione tangenziale Pelton [95].

Il rendimento isoentropico, misurato empiricamente, di tale dispositivo è molto modesto (circa pari a 0.3) a causa principalmente dalle elevate perdite per attrito nel rotore [95]. D’altra parte tramite simulazioni con il software CFD Fluent è stato dimostrato che anche in presenza di una marcata riduzione (circa 30%) delle perdite per attrito nel rotore (tramite dimensionamento del numero delle palette e della loro configurazione) tale tipologia di espansore non è idonea ad operare con un fluido bifase [96].