Cicli “Trilater Flash”

Nella Figura 4.29 è rappresentato il diag. T–S di un Trilateral Flash Cycle (TFC) [28] [54]:

– Trasf. 1-2: il fluido di lavoro (usualmente si adopera un fluido organico) nella fase di liquido saturo (punto 1) circola nella pompa di circolazione, uscendo nella fase di liquido sottoraffreddato (punto 2);

– Trasf. 2-3: il fluido di lavoro in uscita dalla pompa di circolazione (punto 2) crcola nello scambiatore di calore ove assorbe la potenza termica ceduta dalla fonte energetica (quest’ultima soggetta alla trasf. A- B), uscendo nella fase di liquido saturo o sottoraffreddato (punto 3);

– Trasf. 3-4: il fluido in uscita dallo scambiatore di calore (punto 3) circola nell’espansore bifase ove esegue la produzione di potenza meccanica (o elettrica), uscendo nella fase di vapore saturo umido (punto 4); – Trasf. 4-1: il fluido in uscita dall’espansore bifase (punto 4) è inviato nel condensatore ove cede potenza

termica all’esterno, uscendo nella fase di liquido saturo (punto 1).

Figura 4.29. Trilateral Flash cycle: diag. T-S [28]. I fluidi idonei per un TFC devono avere le seguenti principali caratteristiche [75]:

a) Nel caso di fluido della tipologia “dry” fissata la temperatura di condensazione allora all’aumentare della temperatura in ingresso nell’espansore accade che aumentano la potenza meccanica ivi prodotta ed il titolo in uscita dall’espansore con conseguente aumento delle dimensioni e dei costi del condensatore a causa del peggioramento del coefficiente di scambio termico del fluido (Figura 4.30 [75]). Ne consegue che, fissata la temperatura di condensazione, la condizione ottimale (massima potenza meccanica prodotta a fronte di dimensioni non eccessive del condensatore) si ottiene nel caso in cui il fluido in uscita dall’espansore bifase si trova in prossimità della fase di vapore saturo secco;

b) In una miscela zeotropica accade che il “bubble point” ed il “dew point”, associati alla medesima isobara, sono caratterizzati da temperature differenti ossia la trasformazione di fase isobara nella regione del vapore saturo umido presenta pendenza non nulla. Pertanto, a parità dello stato termodinamico del fluido in ingresso nell’espansore, all’aumentare della pendenza della isobara di evaporazione-condensazione diminuisce la differenza di entalpia associata al processo di espansione adiabatico dalla fase di liquido saturo a quella di vapore saturo umido, per cui diminuisce la potenza elettrica ivi prodotta. Pertanto in un TFC è opportuno adoperare miscele zeotropiche in cui la pendenza della isobara di evaporazione- condensazione è praticamente nulla, ciò si ottiene adoperando nella miscela specie chimiche monocomponente aventi lo stesso numero di atomi in una molecola.

La miscela zeotropica costituita da n-pentano e neopentano è la più idonea (nell’ambito di 36 tipologie di fluidi organici) nel caso di temperatura del fluido di lavoro in ingresso nell’espansore nel range 150 ÷ 180 °C in quanto tale miscela consente di ottenere uno scambio termico ottimale (ossia caratterizzato da irreversibilità minime) con una fonte energetica in fase liquida avente temperatura iniziale nel range 170 ÷ 200 °C ed inoltre tale miscela ha curve di condensazione isobare nella regione bifase con pendenza praticamente nulla in corrispondenza di valori di temperatura idonei per la cessione di potenza termica all’aria atmosferica.

Nel caso in cui la fonte energetica è monofase e si trova a bassa temperatura allora il TFC è preferibile rispetto ad un ORC in quanto la differenza media di temperatura nello scambiatore di calore (tra la suddetta fonte energetica ed il fluido di lavoro) è minore nel TFC piuttosto che nel ORC, pertanto le irreversibilità associate a tale scambio termico sono minori nel primo ciclo rispetto al secondo ciclo. Ne consegue che, a parità di potenza termica ceduta dalla fonte energetica, nel TFC si ottiene una maggiore potenza termica in ingresso nel ciclo per cui, a parità della portata massica del fluido di lavoro e della sua temperatura in ingresso nello scambiatore di calore, si determina una maggiore temperatura del fluido di lavoro in uscita dal suddetto scambiatore. Pertanto nel TFC sono maggiori la potenza elettrica prodotta per unità di portata massica della fonte energetica ed il rendimento termodinamico del ciclo. A tale riguardo è opportuno evitare che la temperatura del fluido di lavoro in uscita dallo scambiatore di calore sia prossima alla sua temperatura critica, altrimenti la differenza media di temperatura tra la fonte energetica ed il fluido di lavoro aumenta e di conseguenza aumentano le irreversibilità associate a tale scambio termico [75].

Nel caso in cui il fluido di lavoro della tipologia “dry” evolve in accordo al TFC ed ha temperatura in ingresso nell’espansore bifase maggiore di circa 110 °C (tale situazione ha luogo nel caso in cui la sorgente termica ha temperatura maggiore di circa 120 °C, ad es. fluidi reflui dei processi industriali e fluidi geotermici) allora il rapporto volumetrico di espansione del fluido può assumere valore elevato tale da rendere necessario l’impiego di molteplici stadi di espansione nella regione del vapore saturo umido27

. Una possibile alternativa consiste nell’impiego di una particolare tipologia di TFC denominata ciclo “Smith” (brevettato nel 2004) in cui l’espansione del fluido è eseguita in due stadi in serie, in particolare lo stadio a pressione maggiore ha luogo in un espansore bifase, quello a pressione minore in una turbina a vapore [17] [54] [84] (Figura 4.31):

– Trasf. 5-1: il fluido di lavoro nella fase di liquido sottoraffreddato (punto 5) è pressurizzato nella pompa di circolazione, uscendo nella medesima fase (punto 1);

– Trasf. 1-2: il fluido di lavoro in uscita dalla pompa di circolazione (punto 1) circola nello scambiatore di calore ove assorbe la potenza termica ceduta dalla fonte energetica (quest’ultima è soggetta alla trasf. A- B), uscendo nella fase di liquido saturo (punto 2);

– Trasf. 2-3: il fluido in uscita dallo scambiatore di calore (punto 2) circola nell’espansore a fluido bifase ove produce potenza elettrica, uscendo nella fase di vapore saturo umido (punto 3);

– Trasf. 3-3’ e 3-3”: il fluido in uscita dall’espansore bifase (punto 3) è inviato in un separatore vapore-

27

Nel caso in cui il rapporto volumetrico di espansione del fluido, associato ad un singolo stadio di espansione, è eccessivamente elevato allora il valore del rendimento isoentropico del suddetto stadio di espansione diventa significativamente piccolo [17].

liquido, da cui escono separatamente (a pressione costante) le fasi liquida (punto 3’) e vapore (punto 3”); – Trasf. 3”-4”: il vapore saturo secco in uscita dal separatore (punto 3”) circola in una turbina a vapore ove

produce potenza elettrica e da cui esce nella fase di vapore surriscaldato (punto 4”);

– Trasf. 4”-4’: il fluido in uscita dalla turbina a vapore (punto 4”) è inviato in un condensatore di bassa pressione ove cede potenza termica all’esterno, uscendo nella fase di liquido saturo (punto 4’);

– Trasf. 3’-4’-5: il liquido saturo in uscita dal condensatore (punto 4’) è dapprima pressurizzato tramite pompa di circolazione fino alla pressione in uscita dall’espansore bifase (p3) e poi è miscelato con il liquido saturo in uscita dal separatore vapore-liquido alla stessa pressione p3 ed a temperatura maggiore T3 (punto 3’). In uscita dal miscelatore il fluido è nella fase di liquido sottoraffreddato alla pressione p3 e temperatura intermedia tra T3 e T4 (punto 5).

La tipologia di espansore bifase (primo stadio di espansione) proposta da Smith fu ad azione-reazione centripeto (tale espansore produce circa il 30% della potenza elettrica complessiva e da essa il fluido di lavoro fuoriesce con titolo di vapore circa pari a 0.8) [17] oppure a doppia vite [84]. La tipologia di turbina a vapore (secondo stadio di espansione) proposta da Smith fu ad azione-reazione centripeta o ad azione assiale (essa produce circa il 70% della potenza elettrica complessiva). L’espansore bifase e la turbina a vapore sono collegati meccanicamente allo stesso generatore elettrico. Il rendimento termodinamico del ciclo Smith è circa pari al 60% di quello del TFC a parità di condizioni [17].

Figura 4.31. Ciclo “Smith” [54].

La Figura 4.32 [17] rappresenta la prima variante del ciclo “Smith” ove la aliquota del fluido di lavoro in uscita dal separatore liquido-vapore nella fase di liquido saturo (punto 3’) è inviata in un espansore bifase di bassa pressione, in particolare della tipologia ad azione-reazione centripeto oppure a doppia vite, da cui esce nella fase di vapore saturo umido (punto 4’). L’espansione 3’-4’ avviene in parallelo all’espansione 3”-4”, quest’ultima ha luogo in una turbina a vapore, che è anch’essa ad azione-reazione centripeta. L’espansore bifase di bassa pressione e la turbina a vapore sono collegate meccanicamente al medesimo generatore elettrico. Il vapore saturo umido in uscita dall’espansore bifase di bassa pressione (punto 4’) è miscelato con il vapore surriscaldato in uscita dalla turbina a vapore (punto 4”), poi il fluido ottenuto a seguito della miscelazione circola nel condensatore ove cede potenza termica all’esterno, uscendo nella fase di liquido saturo (punto 5). Quest’ultimo è infine pressurizzato nella pompa di circolazione da cui esce nella fase di liquido sottoraffreddato (punto 1) [84] [17].

La Figura 4.33 [84] rappresenta la seconda variante del ciclo “Smith” ove la aliquota del fluido di lavoro in uscita dal separatore liquido-vapore nella fase di liquido saturo (punto 3’) circola nella pompa di circolazione (32) ove è pressurizzata fino alla pressione massima del ciclo, uscendo nella fase di liquido sottoraffreddato (punto 6). In seguito tale aliquota circola nello scambiatore di calore (135) ove è miscelata con il liquido sottoraffreddato, proveniente dalla pompa di circolazione (30), che si trova alla medesima pressione massima del ciclo ed alla medesima temperatura T6. Nello scambiatore di calore (135) accade che il fluido di lavoro assorbe la potenza termica ceduta dalla fonte energetica, pertanto il liquido sottoraffreddato ottenuto a seguito della miscelazione esce dallo scambiatore di calore (135) nella fase di liquido saturo (punto 2).

Figura 4.33. Ciclo “Smith”: seconda variante [84].

La Figura 4.34 [84] rappresenta la terza variante del ciclo “Smith” ove la aliquota del fluido di lavoro in uscita dal separatore liquido-vapore nella fase di liquido saturo (punto 3’) è inviata nello scambiatore di calore (51) in cui cede potenza termica (a pressione costante p3) al fluido termovettore dell’utenza, uscendo nella fase di liquido sottoraffreddato a temperatura T5 (punto 5). In seguito tale aliquota è miscelata con quella in uscita dalla pompa di circolazione (30) alla medesima pressione p3 ed alla medesima temperatura T5. In seguito il liquido sottoraffreddato ottenuto a seguito della miscelazione (punto 5) circola nella pompa di circolazione (31), uscendo nella medesima fase (punto 1), quest’ultimo infine è inviato nello scambiatore di calore ove assorbe la potenza termica ceduta dalla fonte energetica.

Figura 4.34. Ciclo “Smith”: terza variante [84].

Un’ulteriore particolare tipologia di TFC è il ciclo “Wet to dry” (Figura 4.35 [28]) in cui il fluido al termine del processo di espansione si trova nella fase di vapore surriscaldato oppure vapore saturo secco (punto 5). Il ciclo in esame è applicabile esclusivamente nel caso in cui sono soddisfatte entrambe le seguenti due condizioni: a) Fluido di lavoro della tipologia “dry”; b) Temperatura sufficientemente elevata del fluido di lavoro nella fase di liquido saturo in ingresso nell’espansore [28].