Vincoli imposti al sistema

Affinché sia possibile individuare una configurazione fisicamente realizzabile, sono state imposte le condizioni limite da rispettare nell’impianto mediante vincoli.

Per ogni scambiatore sono stati definiti i minimi pinch-point ammissibili, in modo che non si abbia incrocio dei flussi termici tra fluido caldo e fluido freddo, impostando 30°C per lo scambiatore fumi-ciclopentano, 10°C per l’air-cooler. Per il rigeneratore è stata impostata l’efficacia che deve essere superiore a 0.7. Per quanto riguarda il ciclopentano, è stato imposto che la temperatura di evaporazione sia almeno di 10°C inferiore rispetto a quella di degradazione del fluido organico, che il grado di surriscaldamento massimo ammissibile sia di 30°C e che la pressione di condensazione non scenda sotto gli 0,5 bar, considerando che i cicli organici non sono adatti a lavorare in condizioni eccessivamente sub-atmosferiche.

Infine, è stata fornita una temperatura massima di ingresso che deve essere inferiore alla temperatura di saturazione con titolo 0, in pratica si è impostato un piccolo grado di sotto- raffreddamento e la temperatura dell’aria di ingresso dell’air-cooler è pari a 20°C.

Si riportano in seguito le espressioni dei vincoli:

{ min. 𝑎𝑝𝑝𝑟𝑜𝑐ℎ 𝐻𝑋 ciclopentano/fumi> 30 min. 𝑎𝑝𝑝𝑟𝑜𝑐ℎ air > 10 0 < (𝑇1 − 𝑇out orc/fumi) < 30 𝑇1< 228.5 𝑇out orc/air < 𝑇2 ℇrigeneratore> 0.7

Affinché il calcolo arrivi a convergenza, a causa della presenza di loop chiusi, è stato necessario inserire nei flussi di processo alcuni blocchi teorici di riciclo (RCY). Il programma

pag. 56 assume nei punti in cui sono stati inseriti, i valori di partenza e procede poi a risolvere il calcolo in maniera iterativa.

Come metodo di risoluzione è stato scelto lo schema in tabella 4.8.3.1

Tabella 4.8.3.1 schema di risoluzione caso 2

Si consideri che i valori di molte grandezze subiranno comunque ulteriori lievi modifiche quando, col dimensionamento dei componenti, saranno introdotti nel modello i dispositivi reali. Il dimensionamento dei singoli componenti è stato trattato nei sotto paragrafi successivi.

4.8.4 Off-design

4.8.3.1 Scambiatore di recupero dei gas di scarico

La migliore configurazione per effettuare lo scambio termico tra il fluido primario e il fluido ORC (ciclopentano) consiste in uno scambiatore Shell&Tubecontrocorrente provvisto di tubi alettati. È stato scelta questa tipologia di scambiatore perché considerate le alte temperature operative e le potenze termiche dei gas esausti, che altri tipi di scambiatore non sarebbero in grado di tollerare, e le potenze termiche in gioco la tipologia di scambiatore unoShell&Tube meglio si adatta alle caratteristiche del fluido in ingresso. Il modello dello scambiatore è in RigorousShell&Tube; è stata quindi scelta la configurazione BEM (TEMA) per il mantello, con 7 diaframmi spaziati tra di loro di 650 mm, con tubi radiali non alettati. Per effettuare il dimensionamento dello scambiatore è stato inoltre necessario impostare i coefficienti di fouling pari a 0,0004 m2K/W sia per i gas che per l’olio.

La configurazione ottimale è risultata del tipo BEM (con piastra tubiera fissa sia all’estremità anteriore, con copertura integrale, sia all’estremità posteriore), a 2 passaggi lato tubi, con fluido termovettore circolante nei tubi e fluido sorgente nel mantello. Lo scambiatore è composto da 146 tubi di 19.05 mm di diametro esterno (1/2 pollice) e 5850 di lunghezza e da un mantello di diametro esterno di 335.6mm. Il layout dello scambiatore e i profili di temperatura sono

pag. 57 mostrati in Figure 4.8.2 e 4.8.3, mentre il TEMA Sheet completo di tutte le informazioni si trova nella Tavola I, in Appendice.

Figura 4.8.2: Setting plan e layout dei tubi dello scambiatore primario caso 2

Figura 4.8.3: Profili di temperatura nello scambiatore primario caso 2

Rigeneratore dell’ORC 4.8.5

Il tipo di scambiatore scelto per l’evaporatore è a piastre. Si è impostato il modello Rigorous Shell&Tube e i coefficienti di fouling sono pari a 0,0004 m2K/W sia per il fluido termovettore che per il fluido organico. La configurazione ottimale utilizzata è quella controcorrente con piastra di tipo APV modello N35 di tipo brasosaldata a singolo passaggio, con punto di ingresso dell’olio

pag. 58 fissato nel collettore in alto e punto di uscita nel collettore in basso e viceversa per il fluido organico. Lo scambiatore è composto da 48 piastre e 24 canali, le dimensioni sono riportate nella tabella 4.8.5.1.

Chevron angle (to horizontal) [°] 60 Other chevron angle (mixed plates) [°] 60 Horizontal port centers distance [mm] 238 Vertical point centers distance [mm] 1069.34

Plate thickness [mm] 0.6

Compressed plate pitch [mm] 3.24

Port diameter [mm] 85.09

Plate width [mm] 325.12

Area plate(s) [m2_{] 0.35}

Number of plates for area [-] 1

Tabella 4.8.5.1 scambiatore a piastre caso 2

Il layout dello scambiatore è mostrato in Figura 4.8.5.1, mentre per informazioni più dettagliate si può osservare il API completo nella Tavola II dell’Appendice.

pag. 59 Air-cooler dell’ORC 4.8.6

Il tipo di scambiatore scelto per l’air-cooler è del tipo ad air-forced. Impostato il modello RigorousShell&Tube e i coefficienti di fouling, pari a 0,0004 m2K/W per il fluido organico. La configurazione ottimale utilizzata è a tubi a doppio passaggio con singola ventola dalla larghezza di 3,12 m. I tubi per passaggio sono 98, con una lunghezza di 2 m, sono provvisti di alettature del diametro di 57.15 mm ed una frequenza per metro lineare di 1000. Il diametro dei tubi 25.4 mm e pitch pari a 60 mm.

Il layout dello scambiatore e i profili di temperatura sono mostrati in Figure 4.8.6.1 e 4.8.6.2, mentre l’API completo di tutte le informazioni si trova nella Tavola I, in Appendice.

Figura 4.8.6.1 layout air cooler caso 2

pag. 60 Completato il dimensionamento del sistema, sono state verificate le reali condizioni nominali. In Figura 4.8.6.3 viene mostrata la rappresentazione del ciclo di riferimento sul piano T-s, mentre in Tabella 6.1 sono riportati i valori di temperatura, pressione ed entropia normalizzata per i punti del ciclo.

Figura 4.8.6.3: Rappresentazione sul piano T-s del ciclo ORC caso 2 ORC T[°C] p[bar] s/s* [-] 1 43.04 1.097 0,167962651 2 44.97 25.02 0,172397523 2’ 196.2 25.02 0,75916345 2’’ 196.2 25.02 1,050759909 3 222.9 25.02 1,144947801 4 145.8 1.223 1,211122241 4’ 51.7 1.097 0,964531874 5 51.7 1.097 0,201306026

Tabella 6.1: Valori di pressione e temperatura dei punti del ciclo ORC di design

Il dimensionamento dei dispositivi effettuato tramite il software Aspen HYSYS ha permesso di realizzare un modello che consente di simulare il comportamento dell’impianto proposto nella maniera più accurata possibile, avvicinandosi alle effettive condizioni di funzionamento riscontrabili nella pratica. Tenendo conto del comportamento reale dei componenti, i valori delle

pag. 61 grandezze del ciclo organico hanno subito delle variazioni rispetto ai valori determinati in condizioni ideali. In Tabella 4.6.8.1 sono stati riassunti i principali parametri del ciclo Rankine organico.

Parametri ORC

Portata fluido organico[kg/s] 0.3803

Potenza turbina [kW] 48.73

Potenza pompa ORC [kW] 2.496

Potenza air-cooler [kW] 2.059

Potenza netta [kW] 44.18

Potenza termica in entrata [kW] 233.7 Rendimento ciclo 1 principio [%] 18.9

Tabella 4.8.6.1: Parametri ORC