Il potenziale offerto da questa categoria è molto vasto e coinvolge i settori industriali, domestico e dei trasporti. Il calore può essere recuperato da aria, fumi di combustione e gas caldi, olio o acqua in pressione, vapore di processo e perfino solidi. I livelli termici si distinguono in basso (<150°C), medio (150-400°C) e alto (>400°C): molti autori riportano intervalli diversi di temperatura, ma sostanzialmente coerenti con quelli qui proposti.
39 3.1.1 Ciclo di riferimento
Il rendimento del sistema ORC dipende principalmente dai livelli di temperatura disponibili all'evaporatore e al condensatore.
Nelle applicazioni per il recupero di calore di scarto, generalmente questi livelli sono limitati, e dunque il rendimento termico del ciclo risulta basso (in genere tra 5-9%) con valori leggermente superiori nelle applicazioni a media temperatura (10-15%).
Il ciclo di Carnot non costituisce un riferimento ideale molto coerente: la differenza principale riguarda l'evoluzione della temperatura della sorgente calda durante lo scambio termico che non rimane costante come avviene nel ciclo ideale, ma diminuisce.
Si cerca quindi un riferimento più appropriato andando a considerare un ciclo ideale composto dalle seguenti trasformazioni reversibili:
• 0 - 1: scambio di calore con differenza infinitesima di temperatura tra la sorgente (tratto nero) e il fluido del ciclo (tratto rosso). Ipotizziamo che i fumi si raffreddino isobaricamente fino alla temperatura ambiente (T0).
• 1 - 2 espansione isoentropica;
• 2 - 0 scambio di calore al condensatore alla T0;
40 Il rendimento exergetico di questo ciclo e unitario.
Il rendimento termico 𝜂𝑟𝑒𝑣sara dato dal rapporto della potenza generata dal ciclo e quella disponibile.
𝜂𝑟𝑒𝑣 = 𝑃𝑟𝑒𝑣 𝑃𝑎𝑣
Un ciclo ideale che recupera calore da una sorgente termica a temperatura variabile avrà comunque un rendimento inferiore al rendimento di Carnot.
Il rendimento globale può essere scritto come prodotto di due fattori:
𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑒 =𝑃𝑛𝑒𝑡 𝑃𝑎𝑣 = 𝑃𝑛𝑒𝑡 𝑃𝑎𝑣 𝑃𝑖 𝑃𝑖 = 𝜂𝑡ℎ𝜒
dove 𝑃𝑖 è la potenza effettivamente utilizzata dal ciclo reale della totale disponibile nei fumi, che è diversa dalla 𝑃𝑎𝑣 per il fatto che i gas non vengono raffreddati totalmente. Si tiene conto di questo tramite l'indice χ detto efficienza di recupero:
𝜒 = 𝑃𝑖 𝑃𝑎𝑣
Nelle applicazioni per il recupero di calore, la funzione obiettivo che si vuole massimizzare non e tanto il rendimento termico di ciclo, ma il rendimento globale del sistema dato che lo scopo primario è sfruttare il più possibile la sorgente disponibile.
E per questo infatti che la maggior parte degli studi sul recupero a bassa temperatura considerati esaminano cicli semplici senza rigeneratore interno.
3.1.2 Waste Heat Recovery da motore a combustione interna
I motori a combustione interna hanno un’efficienza termica che varia da valori inferiori al 30% (per motori piccoli e veloci) fino al 50% (per motori grandi e lenti).
41 Questo è indice di dispersioni energetiche nei gas combusti e nel sistema di raffreddamento.
L’acqua di raffreddamento del motore esce circa a 90° mentre la temperatura dei gas di scarico varia tra 200° e 900° nei motori a benzina mentre tra 200° e 600° nei motori Diesel [20].
Questo significa che anche se il calore contenuto nei due flussi è il medesimo, i gas di scarico hanno maggior contenuto exergetico e di conseguenza il recupero termico permette un maggior miglioramento della performance termodinamica.
Le problematiche relative ai cicli ORC per il recupero termico su veicoli, sono imputabili essenzialmente a 4 ragioni:
• I veicoli non lavorano ad un punto di esercizio costante e di conseguenza il sistema di recupero dovrebbe adattarsi alle continue variazioni di carico.
• Dovrebbe essere sviluppato un idoneo espansore tale da non penalizzare l’efficienza in condizioni lontane dal punto di progetto.
• Deve essere sviluppato un tipo di evaporatore diretto che possa far scambiare direttamente fluido organico e gas senza la necessità di un loop ad olio diatermico. • La scelta del fluido di lavoro deve rispettare le norme di sicurezza e l’intervallo di
temperatura impiegato in modo tale da utilizzare sistemi compatti.
Il recupero termico da motori Diesel marini e da motori stazionari è differente, in quanto operando in condizioni quasi costanti presentano meno problemi inerenti al layout di impianto.
Per questi motori la temperatura di scarico è di circa 310°, essi però non possono essere raffreddati sotto i 180° al fine di evitare la formazione di acido solforico. Per questa ragione, in questo tipo di applicazione, il recupero termico da acqua di raffreddamento della camicia, intercooler ed eventuale olio lubrificante può essere termodinamicamente favorevole [20]
42 Valentin Apostol et.al in [21] hanno condotto uno studio analizzando a livello termodinamico il recupero termico di un motore Diesel a turbocompressione mediante ORC. Lo scopo del loro lavoro è stato quello di trovare la configurazione più idonea ed il fluido di lavoro ottimale tale da ottenere la massima potenza meccanica per determinate condizioni operative, recuperando calore dai gas di scarico e dall’acqua di raffreddamento del motore.
Hanno condotto lo studio per dieci giorni utilizzando fluidi facenti parte di varie categorie (HFC,HFO,HC e silossani e un nuovo fluido R1336mzz), applicati a sei configurazioni ORC : tre convenzionali, un ORC dual-loop rigenerativo (DORC), una miscela di due ORC tradizionali (uno usato per il WHR dall’acqua di raffreddamento e l'altra utilizzata per il gas di scarico WHR) e un doppio ORC ma con il condensatore in comune.
Dai risultati emerge che il più alto valore del lavoro in uscita è quello ottenuto per la configurazione 2ORC nel caso in cui si usi R1336mzz nel ciclo a bassa temperatura ed etanolo in quello a bassa temperatura.
Il ciclo con preriscaldatore mostra buone prestazioni con la maggior parte dei fluidi utilizzati e ha un costo di investimento inferiore rispetto ai cicli più complessi 2ORC, DORC e PHRDORC.
I risultati positivi raggiunti con il nuovo fluido HFO fa ben sperare sul suo futuro utilizzo nelle applicazioni ORC.
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