Configurazione termodinamica del sistema

Fluidi I fluidi scelti per l’analisi sono stati anche in questo caso ammoniaca, che da letteratura risulta il fluido più performante per i sistemi OTEC [7, 16] e il refrigerante R1234yf (recentemente sviluppato come sostituto del R132a) in quanto, pur avendo caratteristiche termodinamiche inferiori rispetto all’ammoniaca, ha però un più basso rischio ambientale, caratteristica da non sottovalutare se l’ubicazione dell’impianto è, come in questo caso, un sito i cui luoghi incontaminati, con la loro varietà di fauna marina, svolgono un ruolo fondamentale per il turismo, la pesca, e quindi per la sopravvivenza della popolazione locale. Di seguito sono riportate le caratteristiche principali dei due fluidi scelti per l’analisi.

3.5. ANALISI · OTEC - RO

Figura 3.17: Schema del sistema OTEC e RO

Environmental issues Working fluid MM [kg/kmol] PC [bar] TC [ºC] ∆H /v [kJ/m3_{] 25°C} Tboil [ºC] 1 atm ODP GWP H F I Ammoniaca 17.0 113.3 132.3 9101 -33.3 0 0 3 1 0 R1234yf 114.0 33.8 94.7 5513 -29.0 0 4 1 4 0

Tabella 3.8: Caratteristiche dei fluidi scelti nell’analisi [16]. Dove "ODP": Ozone Depletion Potential, "GWP": Global Warming Potential, "H": Rischio per la salute, "F": Infiammabilità, "I": Instabilità

Nelle figure 3.18 e 3.19 sono riportati i cicli Rankine eseguiti dall’impianto OTEC con i due diversi fluidi di lavoro caratterizzati dalla diversa forma delle campane. L’entropia specifica riportata sulle ascisse è normalizzata. Entrambi operano alle stesse temperature, sfruttando come fonte di calore l’acqua di mare calda a 28,5 °C (freccia rossa) e come fonte fredda l’acqua profonda (freccia blu).

3.5. ANALISI · OTEC - RO

Figura 3.18: Ciclo termodinamico con ammoniaca con entropia normalizzata

Figura 3.19: Ciclo termodinamico con R1234yf con entropia normalizzata Il rendimento di primo principio del ciclo OTEC è calcolato come:

ηI = W˙net ˙ Qin

(3.45) dove:

− ˙Wnetè la potenza netta erogata

3.5. ANALISI · OTEC - RO

Scelta del materiale Il materiale utilizzato per i componenti del sistema OTEC è stainless steel, in quanto da letteratura risulta il materiale tipico adottato in questi sistemi. Le pompe di mare devono sopportare l’azione corrosiva dell’acqua, mentre gli elementi del ciclo come turbina e pompa quella del fluido di lavoro. Gli scambiatori entrano in contatto con entrambi i fluidi e sono quindi necessari dei materiali resistenti. Gli scambiatori risultano essere gli elementi più costosi del sistema, per questo motivo oltre all’utilizzo di stainless steel si è adottata una soluzione che prevede l’utilizzo di plastica, materiale più economico ma che offre una maggiore resistenza termica. La plastica utilizzata oltre a sopportare l’azione corrosiva dei fluidi di lavoro deve sopportare le pressioni operative del ciclo. La pressione massima raggiunta è di poco superiore a 10 bar e la scelta è ricaduta quindi sulla plastica PVDF, resistente a quelle pressioni secondo [18]. Nella figura 3.20 è riportato l’andamento della pressione massima di esercizio in funzione della temperatura che in questo caso è pari a 28,5 °C.

Figura 3.20: Andamento della pressione massima di esercizio con la temperatura per PVDF [18]

Calcolo dell’area di scambio L’area di scambio è nota una volta noto il calore scambiato, la temperatura, i coefficienti caratteristici del fluido e i materiali. In uno scambiatore di calore l’area è calcolata come: Ascambio = ˙ Q UglobDT M L (3.46) dove: − è il calore scambiato

− DTMLè la differenza di temperatura media logaritmica − Uglobè il coefficiente di scambio globale

Il calore scambiato è pari a:

˙

3.5. ANALISI · OTEC - RO in cui:

− ˙mè la portata di fluido

− cpè il calore specifico del fluido

− Toutè la temperatura di uscita dallo scambiatore

− Tinè la temperatura di ingresso dallo scambiatore

La differenza di temperatura media logaritmica è calcolata come:

DT M L = ∆T1− ∆T2

ln∆T1

∆T2

 (3.48)

dove:

− ∆T₁e ∆T₂ sono le differenze di temperatura all’ingresso e all’uscita dello scambiatore I coefficienti di scambio sono stati ipotizzati utilizzando dati presenti in letteratura. In partico- lare, sono stati utilizzati coefficienti diversi a seconda del fluido utilizzato e del materiale dello scam- biatore. Dato che i fluidi di lavoro sono in cambiamento di fase, si avranno coefficienti di scambio elevati. Per l’acqua e l’ammoniaca sono stati utilizzati i valori presenti in [15]. Per il fluido R1234yf sono stati utilizzati i valori ricavati da [37, 38, 39]. Per gli scambiatori in plastica è stata considerata una resistenza aggiuntiva pari a 7,5·10−4_m2_{K/W per ottenere un coefficiente di scambio globale in}

accordo con [35]. Di seguito sono riassunti i valori utilizzati:

Fluido h

[W/m2_K]

Acqua 5.500

Ammoniaca 11.300

R1234yf 8.000

Tabella 3.9: Coefficienti di scambio utilizzati per i vari fluidi

Il coefficiente di scambio globale è calcolato come: Uglob=  1 h1 + δ + 1 h2 −1 (3.49) dove:

3.5. ANALISI · OTEC - RO

− δè l’eventuale resistenza aggiuntiva

I coefficienti globali ottenuti sono:

Fluido utilizzato Materiale scambiatore Uglob

[W/m2_K]

Ammoniaca Stainless steel 3.699

PVDF 980

R1234yf Stainless steel 3.259

PVDF 946

Tabella 3.10: Coefficienti di scambio globale utilizzati

Sistema RO Il sistema OTEC è stato simulato tramite software, mentre il sistema di dissalazione RO è stato schematizzato tramite dei parametri caratteristici. Per la definizione dei parametri del sistema ci si è riferiti ai dati presenti in letteratura. In particolare, sono stati imposti un valore del recovery ratio e del consumo specifico tipici, individuati analizzando l’andamento in funzione della salinità dato da diversi valori di impianti reali. Basandosi sulla salinità dell’acqua in ingresso, pari a 34900 ppm, sono stati individuati i valori più adatti per il caso in esame. Nelle figure 3.21 e 3.22 sono riportati i valori del RR e del CS in funzione della salinità in ingresso per diversi impianti di reverse osmosis trovati in letteratura [40, 41, 42, 43, 44].

Figura 3.21: Valori del RR con la salinità per diversi impianti di RO

Considerando la salinità dell’acqua di mare in ingresso, è stato scelto un valore del recovery ratio pari a 0,42 ed un valore del consumo specifico di 3 kWh/m3_{. Questi valori sono stati mantenuti}

3.5. ANALISI · OTEC - RO

Figura 3.22: Valori del CS con la salinità per diversi impianti di RO

Una volta noto il consumo specifico del sistema di RO è possibile calcolare la potenza che questo richiede in funzione della quantità di acqua dissalata in un giorno.

PRO =

CS· < m3/giornodi acqua prodotta >

24ore (3.50)

L’acqua in ingresso al sistema è ricavata grazie al recovery ratio ed è data da: ˙

min=

˙ mdolce

RR (3.51)

Nelle simulazioni sono state utilizzate tre taglie diverse del sistema di dissalazione, pari al 100%, 300%, 600% del fabbisogno della popolazione. Di seguito sono riportate le caratteristiche principali:

Taglia Potenza [kW] Acqua in ingresso [kg/s] Acqua prodotta kg/s m3_{/giorno m}3_/anno 1 203 44.8 18.8 1625 542000 2 609 134.3 56.4 4875 1625000 3 1219 268.7 112.8 9750 3250000

Tabella 3.11: Riepilogo caratteristiche RO