Per la modellizzazione della pompa, dato che l’incremento di pressione che deve compiere è fissato dagli scambi termici, si è proceduto fissando il rendimento, necessario per determinarne i consumi di energia elettrica del motore che la aziona, che vanno a dare la differenza tra la potenza lorda e la potenza netta prodotta dall’ORC, essendo la pompa l’unico carico interno diretto dell’ORC.
Il rendimento utilizzato è stato direttamente ottenuto dalla condizione di funzionamento conosciuta, in cui, tramite la conoscenza della potenza elettrica lorda prodotta e quella netta poi mandata alla rete si è potuto calcolare per differenza la reale potenza assorbita dalla pompa nelle specifiche condizioni, e così risalire, conoscendo la potenza ideale necessaria all’incremento di pressione del fluido, al rendimento.
Tale rendimento è risultato pari a:
.=>= 0,65
Si è poi considerato tale rendimento costante, anche se nella realtà varia di diversi punti percentuali a seconda delle condizioni di lavoro. Si è supposto in sede iniziale che tali variazioni non influiscano significativamente sulla potenza prodotta.
5.4. Espansore e portata fluido organico
Gli espansori screw (a vite) sono macchine volumetriche composte da due rotori a forma di vite elicoidale. Nei due rotori si può distinguere il maschio e la femmina, i quali durante il funzionamento sono separati tra loro da un minimo spazio, dell’ordine dei 50 µm, questi rotori sono collegati a dei cuscinetti e a degli ingranaggi di distribuzione. Tali espansori vengono attualmente spesso derivati da compressori della stessa famiglia utilizzati in cicli frigoriferi.
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Il fluido di lavoro ad alta pressione entra dal condotto di ingresso a sezione più stretta, una volta entrato questo tende ad espandersi tra il rotore e lo statore, la cassa metallica dove i rotori sono contenuti, e ciò causa la rotazione del rotore. Man mano che il volume del fluido aumenta esercita pressione sul rotore causandone la rotazione, ma viene anche spostato verso il condotto di scarico a più bassa pressione, tale rotazione permette il trasferimento di potenza dal fluido di lavoro all’albero dell’espansore, il quale è direttamente collegato al generatore elettrico.
In questi tipi di espansori si riesce a realizzare l’espansione senza particolari problemi anche in presenza di fluido in stato bi-fase, come già precedentemente descritto, e per questo motivo sono adatti all’utilizzo nel recupero di calore a bassa temperatura.
Le performance dell’espansore sono influenzate da diversi fattori, come, la configurazione del rotore, il suo diametro, l’angolo dei lobi e delle rientranze delle viti, il profilo del rotore, il volume e diversi altri, la cui misurazione non è stata possibile. In ogni caso realizzare un modello a partire da questi fattori è molto complicato dato che include molte correlazioni e possibili variabili.
La reazione di espansione ideale può essere termodinamicamente rappresentata da una trasformazione politropica. Facendo riferimento alla Figura 5.4-2, il totale processo di espansione può essere pensato come un’ammissione del fluido di lavoro a pressione costante 4-a, un espansione politropica a-b, caratterizzata da un determinato coefficiente n, ed uno scarico del fluido a pressione costante b-5, il lavoro prodotto viene dato dall’area sottesa dalla curva di espansione politropica a-b, rappresentata nel diagramma P-V.
Nella pratica però il processo di espansione in un espansore a vite coinvolge diverse perdite di energia, principalmente associate a fughe, perdite meccaniche e a perdite per sovrapressioni o sottopressioni al termine dell’espansione, cioè per mancata corrispondenza nella pressione. Tutti questi fenomeni comportano una riduzione della quantità di lavoro prodotta dall’espansore. Alcune di queste perdite sono illustrate nella Figura 5.4-2 Si possono individuare infatti perdite di ammissione 4-a’, perdite per irreversibilità a’-b’ oppure a’-b”, perdite per mancata corrispondenza tra la pressione di fine espansione e la pressione al condensatore, le quali causano un effetto chiamato di blowdown b’-c’ o di blowback b”-c”, ed infine si possono individuare perdite allo scarico del fluido c’-5 o c”-5. A causa poi dei minimi spazi presenti tra la cassa dell’espansore il e rotore, necessari per il movimento di quest’ultimo, si creano durante il funzionamento delle
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perdite dovute al fluido che passa attraverso queste fughe senza trasferimento di lavoro al rotore. Oltre a tutte queste perdite, si devono poi considerare le perdite meccaniche per attrito che si anno nell’espansore e negli ingranaggi ad esso connessi.
Per tutti questi motivi per il modello dell’espansore si è utilizzata un equazione empirica derivata da analisi di laboratorio su un espansore del tutto simile a quello utilizzato nell’ORC oggetto dell’analisi, i test di laboratorio sono stati inoltre eseguiti utilizzando lo stesso fluido organico di lavoro. La potenza nominale dell’espansore considerato è di 50 kW.
L’equazione empirica utilizzata è quella proposta da (Vamshi Krishna Avadhanula, 2014), che, tramite un approccio di tipo “black box”, hanno analizzato il lavoro prodotto dall’espansore confrontandolo con quello isoentropico, e tramite interpolazione polinomiale della curva dei risultati ottenuti, hanno prodotto un equazione polinomiale che riproduce il comportamento reale dell’espansore, in funzione del lavoro isoentropico ideale che si potrebbe produrre durante l’espansione.
L’equazione adimensionale prodotta è data da:
1€Ÿ,w= 10176,6515 ∙ 1>,wŠ − 2877,4007 ∙ 1>,w‹ + 291,07131>,w‰ − 11,7825 ∙ 1>,w+ 0,1874 (5.22) dove:
1
€Ÿ,w=
„Ž£ 0¤; 1
>,w=
„h 0¤;
(5.23 a-b)Ed h0 rappresenta l’entalpia del fluido di lavoro a temperatura e pressione standard.
Questo metodo coinvolge quindi direttamente tre parametri, che sono: temperatura e pressione del fluido in ingresso all’espansore, per ricavare l’entalpia del punto 5, e pressione di fine espansione per ricavare l’entalpia del punto 6.
Per la determinazione della quantità di fluido organico utilizzato, la quale dipende dalle temperature della sorgente calda e del pozzo freddo, e dal particolare espansore utilizzato, si è proceduto tramite il calcolo della portata di fluido nella condizione di funzionamento dell’ORC di cui sono noti i principali parametri. La portata è stata derivata dalla conoscenza dell’entalpia in ingresso e in uscita dall’espansione, funzioni della temperature e della pressione, e dalla potenza lorda sviluppata. Si ha infatti che la potenza lorda sviluppata all’espansore, corrispondente alla potenza immessa in rete dall’ORC meno quella assorbita dalla pompa e dagli organi elettrici interni, è data dal prodotto tra il reale salto entalpico che riesce a produrre l’espansore e la portata di fluido organico. Bisogna però considerare anche il rendimento meccanico dell’accoppiamento tra espansore e generatore elettrico, ipotizzato in quest’analisi come costante e pari a 0,9.
La portata di fluido organico utilizzato risulta quindi di facile determinazione per questa condizione nota di funzionamento dell’ORC. Per riuscire però ad assolvere allo scopo del modello, cioè quello di determinare il corretto comportamento del sistema in tutte le possibili differenti condizioni di funzionamento è stato necessario individuare un’equazione che consideri la variazione della portata di fluido di lavoro utilizzato. Tale equazione è data da:
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Å =
¥∙¦∙ §]f]q•
(5.24)
Dove:
ρ è la densità del fluido di lavoro all’aspirazione dell’espansore
V è il volume di fluido spostato in una rotazione ngiri è il numero di giri dell’espansore
λv è il coefficiente di riempimento dell’espansore
Tramite l’utilizzo di questa equazione si è potuto determinare il volume di fluido spostato dall’espansore in una rotazione dato che: il numero di giri a cui funziona l’espansore deve essere costante attorno a 5000 [giri/min], per mantenere il valore di frequenza richiesto dalla rete per l’energia elettrica prodotta; la portata nella condizione nota era conosciuta tramite i calcoli precedentemente illustrati; la densità del fluido di lavoro si può determinare in funzione della temperatura e pressione di questo all’ingresso ed infine per il coefficiente di riempimento si è ipotizzato un valore costante pari a 0,85, ottenuto da letteratura scientifica per macchine simili. Si è quindi potuto calcolare il volume di fluido spostato in una rotazione, il quale è una caratteristica del particolare espansore, che è risultato pari a 415 [cm3].
Conoscendo tale valore, circa costante in tutte le condizioni di funzionamento, si può utilizzare la stessa formula sopra riportata per il calcolo della portata al variare delle condizioni d’ingresso del fluido nell’espansore, che comporterà una variazione nella sua densità, mentre gli altri parametri della formula rimangono costanti in ogni condizione di funzionamento.
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