Criteri di scelta del fluido organico e accorgimenti progettuali

Punto Critico

Il punto critico dei fluidi organici è caratterizzato da pressione e temperatura critiche più basse di quelle dell’acqua. I fluidi con temperatura critica più alta hanno generalmente un’efficienza di ciclo più alta. Questo vantaggio tuttavia ha la contropartita tecnica di avere basse densità del vapore ad entrambe le pressioni di lavoro del ciclo comportando un innalzamento delle portate volumetriche e un conseguente bisogno di espansori e scambiatori di calore più grossi, senza contare le maggiori perdite di carico nel circuito. Componenti più grandi comportano costi più alti e ciò rischia di diventare proibitivo per sistemi di piccola taglia. In accordo con [41], nello scegliere il fluido di lavoro una regola pratica è quella di scegliere un fluido con una temperatura critica lievemente più alta di quella di evaporazione alla quale si intende lavorare.

Calore latente di vaporizzazione

Il calore latente di vaporizzazione di un fluido organico è in genere inferiore a quello dell’acqua, ma è estremamente variabile da fluido a fluido. In accordo con [42], i fludi con un alto calore latente di evaporazione sono preferibili perché un alto λv consentono la riduzione della portata massica del

fluido di lavoro, consentendo così di minimizzare il consumo di energia della pompa. Chen e altri hanno dimostrato che i fluidi con λv maggiore rendono disponibile lavori specifici più alti. Infatti,

assumendo l’ipotesi di gas ideale, si ha l’equazione di stato:

P v = RT (5.2) e la relazione di Clausius-Clapeyron: dP dT = ∆H T ∆v (5.3) dP

dT è la pendenza della curva di coesistenza su un piano P-T, ∆H è il calore latente di vaporizza-

zione e ∆v è la variazione di volume durante una trasformazione di espansione/compressione. Combinando le due equazioni e integrando si può ricavare un’espressione del rapporto fra le pressioni: P2 P1 = exp " ∆H R 1 T1 − 1 T2 !# (5.4)

l’espressione sopra dimostra che il pressure ratio di un fluido è una funzione esponenziale del calore latente di evaporazione. Di conseguenza, assumendo sempre ipotesi di gas ideale, l’espressione del

salto entalpico dell’espansione isoentropica diventa: ∆his= kRT1 k − 1 " 1 − exp " ∆H R 1 T1 − 1 T2 !!k−1_k ## (5.5)

la quale mostra che il salto entalpico e pertanto il lavoro specifico, è più grande per i fluidi con un grande calore latente di vaporizzazione. Un grande salto entalpico implica alte velocità periferica e alto numero di stadi di espansione necessari (si tenga conto che la quantità (1

T1 −

1

T2)è negativa

in quanto durante un’espansione isoentropica si ha: T1 > T2). Yamamoto et al. [43] hanno

stabilito che i fluidi con bassi calori latenti sono preferibili poichè consentono un aumento della portata massica a parità di sorgente termica disponibile con innalzamento dell’output della turbina a fronte di velocità periferiche, dimensioni e costi contenuti. Addirittura per applicazioni WHR un basso calore latente permette un miglior accoppiamento fra le curve di scambio termico riducendo la produzione entropica durante la trasmissione del calore.

Figura 5.5: WHR con fluidi caratterizzati da differente calore latente di evaporazione

Pressione/temperatura di evaporazione

La selezione di un’ottimale pressione di evaporazione ha una grossa influenza sull’efficienza del sistema ORC. Più è alta la pressione di evaporazione e più è potenzialmente alta l’efficienza del ciclo a causa dell’incremento della distanza fra i livelli termici estremi fra cui evolve il fluido nel ciclo. Tuttavia una più alta pressione di evaporazione non porta necessariamente a una massima

efficienza di sistema: nel caso dei sistemi WHR per esempio, l’efficienza di sisitema è il prodotto fra efficienza di ciclo ed efficienza di recupero ε:

ηg= ηc·  (5.6)

dove ε è definita come il rapporto fra calore scambiato e calore disponibile

 = ˙ Qexch ˙ Qav (5.7)

Un valore eccessivo della pressione di evaporazione può ridurre il calore scambiato ( ˙Qexch) con un

peggioramento della performance globale del sistema. Un altro aspetto di cui tenere conto nella

Figura 5.6: Efficienza globale di un sistema ORC in Waste Heat Recovery in funzione della pressione di evaporazione

scelta della pressione di evaporazione è legata alla fattibilità economica: difatti, un alta pressione di evaporazione richiede scambiatori di calore e condutture più costose. Inoltre non è consigliabile lavorare troppo vicini al punto critico un quanto piccole variazioni della temperatura comportano grosse variazioni della pressione, così che si avrebbe a che fare con un sistema instabile in fase off-design. In letteratura esistono diverse interpretazioni nel definire la distanza tra pressione di evaporazione e punto critico. [41] suggeriscono di mantenere la temperatura calda ad almeno 10-15 °C da quella critica. Altri autori [42] sostengono che la pressione di evaporazione debba essere di 10 bar più bassa di quella critica, mentre Rayegan et al. considerano la massima pressione permessa come quella da cui espandendo a partire dalla curva limite superiore si evita di attraversa la zona bifase [44].

Pressione di condensazione

È universalmente riconosciuto dalla letteratura specifica che la pressione di condensazione debba essere pi grande della pressione atmosferica al fine di evitare infiltrazioni di aria nel circuito. Tuttavia per impianti di piccola taglia, assumendo tenute perfette, è possibile adottare pressioni relative di condensazione negative (pressure gauge).

Surriscaldamento

Negli ordinari cicli Rankine a vapor d’acqua il grado di surriscaldamento è molto spinto per i motivi elencati nella parte iniziale di questo capitolo, mentre operando con fluidi organici un surriscaldamento non sempre comporta un’efficienza maggiore, per i fluidi dry ad esempio, in assenza di un rigeneratore, il surriscaldamento influisce negativamente sul ciclo in quanto aumenta la quantità di calore da riversare nell’ambiente (fase di de-surriscaldamento a valle dell’espansione). Tuttavia per i fluidi organici wet un certo grado di surriscaldamento può fornire un lieve incremento dell’efficienza.

Densità del vapore

La densità del vapore ha una grossa influenza sulle dimensioni di: evaporatore, condensatore e dispositivo di espansione. Più è bassa la densità del vapore (maggior volume specifico) e più aumentano costi, dimensioni e perdite di carico. La densità del vapore aumenta al diminuire della temperatura ridotta, perciò i fluidi con alta temperatura critica non sono adatti ad operare a basse temperature di esercizio a causa dell’alto valore della portata volumetrica di fluido.

Punto di fusione

È bene che il punto di fusione del fluido sia più alto della minima temperatura ambiente al fine di evitare congelamenti; ciò deve valere specialmente per quelle applicazioni che operano in un regime discontinuo. In genere i fluidi con temperature critiche più alte hanno anche valori più alti del punto di fusione [45].

Sicurezza e parametri ambientali

Spesso la sicurezza e l’impatto ambientale determinano il primo criterio di scelta del fluido: La classificazione di sicurezza dei refrigeranti proposta dalla ASHRAE suddivide i fluidi organici in due classi (A e B), le quali indicano il livello di tossicità e le divide a loro volta in tre livelli numerici che stanno a indicare l’infiammabilità. Ovviamente è preferibile l’utilizzo di fluido appartenenti

Figura 5.7: Classificazione ASHRAE dei fluidi organici

alla classe A grazie al basso livello di tossicità. Relativamente all’infiammabilità generalmente non ci sono particolari problemi in assenza di inneschi nella vicinanza dell’impianto a meno che non si operi con fluidi con lunghe catene molecolari di alcani le quali sono soggette ad autoaccensione. Relativamente all’impatto ambientale sono stati coniati due indici che causano restrizioni sull’uso di determinati composti organici. Questi parametri sono il potenziale di riduzione dell’ozono (ODP) e il potenziale di riscaldamento globale (GWP). I fluidi appartenenti alla categoria dei clorofluo- rocarburi (CFC) sono caratterizzati da indici ODP eccessivi che ne hanno causato il progressivo abbandono negli ultimi decenni a favore degli Idrofluorocarburi (HFC) e Idroclorofluorocarburi (HCFC) caratterizzati da ODP inferiori.

Numerosi fluidi organici, in particolare gli idrocarburi, mostrano alti valori del GWP ma oggigiorno non sono ancora stati introdotti limiti dalla comunità internazionale sull’utilizzo dei refrigeranti sulla base del GWP.

Stabilità Chimica

La stabilità chimica del fluido comporta un limite sulla massima temperatura del ciclo al fine di evitare deterioramenti e decomposizioni del fluido di lavoro. Andersen et al. [46] presentano un metodo per valutare il tasso di decomposizione dei fluidi organici a vari livelli di temperatura e pressione. Inoltre alcuni fluidi potrebbero avere interazioni chimiche con i materiali con cui sono costruiti i dispositivi del sistema.