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Analysis and design of devices for medium temperature solar thermal energy conversion

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Academic year: 2021

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Relazione conclusiva sulle attività svolte durante il dottorato da Marco Francesconi

Nel primo anno di dottorato è stato compiuto un lavoro di analisi delle prestazioni di alcuni componenti impiegati in impianti termodinamici per la micro generazione distribuita di energia.

In particolare si è fatto riferimento ad impianti di potenza inferiore ai 50 kW, per i quali si è ritenuto interessante analizzare sia una macchina preposta all’espansione del fluido che un componente dedicato alla raccolta dell’energia termica in ingresso all’impianto termodinamico, ovvero un collettore solare. Innanzitutto, prima di procedere all’analisi per via numerico/sperimentale, si è proceduto ad una ricerca bibliografica preliminare che ha evidenziato come in tale campo sia presente un’intensa attività di ricerca e che questa riguarda sia aspetti relativi alla modellazione numerica che all’analisi sperimentale degli stessi componenti, anche a scopo di validazione dei modelli numerici impiegati.

L’analisi degli espansori volumetrici si è concretizzata in uno studio, risultato essere l’attività principale di questo primo anno di dottorato, che ha riguardato l’indagine numerica e sperimentale del ciclo di un espansore, già presente in dipartimento, derivato da un motore Wankel.

Lo scopo dell’attività ha riguardato lo studio delle prestazioni del prototipo al variare delle caratteristiche fluidodinamiche delle valvole e delle condizioni operative, poichè in una macchina volumetrica, caratterizzata da un flusso pulsante, la geometria delle aree di efflusso riveste un ruolo fondamentale nel determinare l’efficienza ottenuta. I risultati sono stati presentati attraverso confronti tra i vari cicli indicati rilevati e dall’andamento della coppia misurata. Trattandosi di un’analisi preliminare è stata scelta l’aria come fluido di lavoro evitando così, in una prima fase, l’uso di fluidi più onerosi dal punto di vista dell’allestimento della campagna sperimentale, quali vapore e fluidi organici. L’apparato di misura è stato realizzato collegando il prototipo al banco prova ed alla linea di aria compressa; per smorzare le inevitabili fluttuazioni di pressione che si generano durante il funzionamento è stato necessario inserire un plenum tra il misuratore di portata e l’espansore. Le grandezze monitorate sono state la temperatura, la pressione dell’aria di alimentazione ed i consumi oltre alla coppia rilevata al banco prova. Il ciclo indicato, invece, è stato ricostruito da un programma scritto in ambiente Labview che combinando i segnali di pressione, provenienti da due sensori inseriti nello statore della macchina, e della posizione angolare, misurata da un encoder, ha permesso la visualizzazione del ciclo.

Il lavoro presentato ha portato a concludere che l’incremento della velocità di rotazione comporta un incremento delle perdite di carico attraverso le valvole ed una contemporanea riduzione delle fughe del fluido di lavoro. L’adozione di valvole con un migliore coefficiente di efflusso garantisce una riduzione del lavoro speso durante la fase di scarico alle alte velocità (che può essere ulteriormente ridotta tramite un opportuno valore dell’anticipo di apertura) e conseguentemente un incremento della coppia all’albero della macchina.

Il confronto tra i vari cicli indicati ha suggerito che le tolleranze di fabbricazione delle valvole influenzano i valori della pressione durante la fase di ricompressione e quindi anche le entità delle fughe di fluido attraverso la macchina.

I risultati sono stati quindi riportati in un articolo che è stato presentato al 69° congresso nazionale ATI. Per quanto riguarda invece l’attività di ricerca sui collettori solari, si è preso in considerazione i collettori parabolici composti, che consentono di raccogliere l’energia solare con un modesto grado di concentrazione senza richiedere sistemi di inseguimento, risultando quindi adattabili, ad esempio, all’installazione su tetti di capannoni industriali già costruiti per la fornitura di calore a media temperatura (attorno ai 150 gradi centigradi) o all’accoppiamento con cicli a fluido organico per la generazione/cogenerazione di energia elettrica. A tale scopo, sono state effettuate simulazioni numeriche con l’obiettivo di valutare le perdite convettive e radiative. L’attività ha poi riguardato la progettazione e di un prototipo e del relativo impianto di misura, al fine di convalidare i risultati numerici ottenuti. Durante il secondo anno di dottorato l’attività di ricerca è stata rivolta prevalentemente all’analisi dei collettori solari a concentrazione. Infatti l’attività principale ha riguardato l’analisi dello scambio termico

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all’interno di collettori caratterizzati dalla presenza di un ricevitore verniciato con rivestimenti selettivi al fine di sostituire i tubi evacuati. I risultati ottenuti da questa attività sono stati quindi sintetizzati in una pubblicazione intitolata “Analysis of heat transfer in different CPC solar collectors: a CFD approach”. Lo scopo del lavoro ha riguardato lo sviluppo di correlazioni numeriche per quantificare il calore disperso dal ricevitore al variare delle caratteristiche geometriche e costruttive del collettore. La metodologia adottata è stata elaborata sulla base di un’indagine bibliografica che ha riguardato lo studio dello scambio termico in cavità chiuse in condizioni di convezione naturale. La ricerca bibliografica ha evidenziato che questo argomento è stato affrontato solo in pochi articoli di recente pubblicazione. Tra questi ultimi è stato ritenuto interessante un lavoro intitolato “Heat transfer mechanism in a compound parabolic concentrator: comparison of computational fluid dynamics simulations to particle image velocimetry and local temperature measurements” di Reichl et al. in cui è stato proposto un approccio per studiare il campo termico all’interno dei collettori a concentrazione, impiegando la fluidodinamica computazionale. L’attività di ricerca è stata quindi basata su tale metodologia per impostare in maniera appropriata il risolutore numerico.

Per eseguire le simulazioni CFD sono state preferite geometrie bidimensionali al fine di riprodurre in maniera soddisfacente il campo di moto dell’aria risparmiando, al contempo, risorse di calcolo. Sono state effettuate anche delle prove preliminari per assicurare l’indipendenza della griglia di calcolo dai risultati ottenuti.

Il modello numerico ha permesso di tenere conto delle condizioni operative di funzionamento oltre che della presenza dei fenomeni fisici coinvolti, quali l’irraggiamento e la conduzione attraverso l’isolamento esterno; la temperatura del ricevitore è stata imposta come condizione al contorno in quanto il modello non consente di modellare la radiazione solare incidente sul pannello.

L’obiettivo del lavoro è stato quello di stimare il rendimento del singolo collettore e di quantificare il coefficiente di scambio sul ricevitore tenendo conto della presenza simultanea di convezione ed irraggiamento, attraverso una correlazione tra il numero di Rayleigh (Ra), ed il numero di Nusselt (Nu). Dopo aver simulato diverse temperature del ricevitore per ricavare la quantità del calore disperso dall’assorbitore, è stato calcolato il coefficiente di scambio in modo tale da poter interpolare i valori di Nu e Ra secondo una legge di potenza del tipo Nu=BRan, con B ed n parametri da determinare. Per tutti i casi analizzati è stato osservato che i parametri B ed n possono ritenersi costanti fino alla temperatura di 393 K, in quanto per valori superiori la correlazione è risultata non soddisfacente. Tale risultato è stato spiegato con l’aumento percentuale del calore trasmesso per irraggiamento.

Per quanto riguarda la geometria del ricevitore è stato dimostrato come il rapporto tra il valore dell’area illuminata dai raggi solari e la superficie complessiva del ricevitore influenzi le prestazioni termodinamiche del dispositivo. Infatti sono stati considerati, a parità di concentrazione, due ricevitori caratterizzati rispettivamente da una geometria circolare e da una piana. Come risultato principale è stato notato che il rapporto tra le perdite per unità di area del ricevitore circolare rispetto a quelle del collettore piatto sia superiore ad 1, mentre il rapporto tra le perdite totali risulti inferiore all’unità. Inoltre il collettore con ricevitore piatto ha mostrato una struttura del campo di moto più influenzabile dall’angolo di tilt, oltre ad una maggiore aliquota di calore trasmesso per irraggiamento. Il ricevitore circolare è stato simulato, per differenti angoli di tilt, anche a parità di concentrazione variando il diametro dell’assorbitore, nell’intervallo 15-70 mm, per indagare la variazione dei parametri B e n in funzione del diametro. Gli andamenti ottenuti sono stati spiegati considerando il moto dell’aria in prossimità del ricevitore e le dimensioni della cavità del collettore. Piccoli diametri hanno permesso all’aria di raggiungere una forte velocità così da aumentare lo scambio termico, mentre diametri superiori a 30 mm hanno rappresentato un ostacolo per il fluido con conseguente riduzione del coefficiente di scambio. Infine è stata valutata la dipendenza dei termini B ed n dal rapporto di concentrazione per differenti diametri del ricevitore, compresi tra 15 e 47 mm, impiegando un angolo di tilt di 35°. Sono stati scelti valori del rapporto di concentrazione da 1.25 fino a 3 tali da consentire l’uso in applicazioni per

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micro-generazione. Dalle analisi effettuate è emerso come il termine B risulti compreso in una fascia delimitata superiormente da una legge esponenziale ed inferiormente da una legge di potenza. I punti rappresentativi dei diametri inferiori a 30mm sono stati localizzati in prossimità della parte superiore della fascia, mentre diametri maggiori di tale valore sono stati individuati nella parte inferiore della fascia. I valori dell’esponente n, invece, sono stati rappresentati all’interno di una banda delimitata da due rette con differente pendenza. Questi risultati sono stati chiariti considerando lo spazio tra il ricevitore ed i riflettori che è risultato essere di impedimento al moto dell’aria per valori del diametro superiori a 30 mm. Durante l’anno è stato ulteriormente sviluppato, in ambiente AMESim 12, un modello numerico a parametri concentrati del collettore in grado di simulare, anche in transitorio, il comportamento di un collettore parabolico con ricevitore a tubo evacuato. Tale modello, che è stato utilizzato per la stesura di un articolo intitolato “Dynamic modeling of Low Concentration Solar Power Plant: a control strategy to improve flexibility permette di impostare le condizioni di irraggiamento solare per una data località oltre alle condizioni operative, e di determinare la temperatura di uscita del fluido termovettore considerando anche i transitori termici. Durante il terzo anno, l’attivita’ riguardo i collettori solari e’ stata focalizzata sull’influenza delle perdite termiche che si verificano quando diversi collettori vengono affiancati per formare un pannello. L’analisi e’ stata sviluppata impiegando la metodologia precedentemente descritta basata sull’utilizzo della tecnica CFD. Come risultato l’analisi ha evidenziato una differente ripartizione delle perdite termiche dovute ad un diverso isolamento dei vari collettori. In particolare sono state analizzate diverse soluzioni tecniche basate sull’introduzione di un setto esterno per garantire un migliore isolamento della cavita’ o creando un intercapedine tale da mettere in comunicazione i vari collettori. Come risultato l’adozione di un setto esterno ha comportato una sensibile riduzione del rendimento ottico che ha comportato una accentuata riduzione dell’efficienza dell’intero pannello, mentre prestazioni migliori sono stati ottenute creando un’intercapedine del pannello. Il lavoro sull’analisi dei collettori ha suggerito quindi lo studio di metodi per limitare le perdite termiche nella cavita’ che si sono concretizzati nell’introduzione di un setto interno per limitare i moti convettivi dell’aria. La ricerca, effettuata tramite analisi CFD, ha condotto allo sviluppo di un collettore caratterizzato da prestazioni migliori alle medie temperature (380-430 K) e costi inferiori rispetto a quelli tipici di un collettore parabolico composto con tubo evacuato. Contemporaneamente lo studio dell’espansore volumetrico si e’ concretizzato nello sviluppo di un modello numerico per quantificare la perdita energetica delle varie parti della macchina quali cuscinetti, pulegge ed attrito delle tenute. Il modello numerico e’ stato validato tramite le precedenti prove sperimentali, condotte tra 500 e 1500 rpm, ed ha confermato che l’attrito dovuto alle tenute del rotore e’ la perdita piu’ rilevante oltre che ad essere il termine maggiormente influenzato dalla velocita’ di rotazione. Il modello ha consentito inoltre di valutare anche l’efficienza isentropica della macchina il cui andamento presenta un massimo pari a 0,87 alla velocita’ di rotazione di 1250 rpm, mentre il valore minimo pari a 0.59 e’ stato rilevato a 500 rpm.

Pubblicazioni:

“Numerical and experimental analysis of the intake and exhaust valves of a rotary expansion device for micro generation”, M.Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, L.Martorano, Energy Procedia 81, pp. 461-476;

“Small scale ORC plant modeling with the AMESim simulation tool: analysis of working fluid and thermodynamic cycle parameters influence”, M.Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, P.Psaroudakis, L.Martorano, Energy Procedia,

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“Technologies for Energy Recovery from Waste Biomasses: A Study about Tuscan Potentialities” M.Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, P.Psaroudakis, L.Martorano, Energy Procedia, 81, pp. 450-460;

“Electrical production of a small size Concentrated Solar Power plant with compound parabolic collectors”, M.Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, U.Desideri, L.Martorano (2015) Renewable Energy, 83, pp. 1110-1118;

“Dynamic modeling of Low Concentration Solar Power Plant: a control strategy to improve flexibility”, M.Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, U.Desideri, L.Martorano Renewable Energy 95 (2016) pp. 574-585;

“Dynamic control strategies for distributed microgeneration and waste heat recovery power plants” M. Antonelli, A.Baccioli, M.Francesconi, U.Desideri, (2016) Energy Procedia, 88, pp. 106-111;

“Analysis of heat transfer in different CPC solar collectors: a CFD approach”, M. Antonelli, M.Francesconi, P. Di Marco, U. Desideri, (2016) Applied Thermal Engineering 101 pp. 479-489.

Altre attività svolte:

 Nei tre anni di dottorato ho svolto esercitazioni riguardo l’utilizzo del codice numerico AMESim 12 per l’insegnamento di Energetica Applicata e Progetto di Macchine Termiche ed ho tenuto esercitazioni per il corso di Macchine;

 Per approfondire le conoscenze sulle tecniche di simulazione fluidodinamica numerica, ho frequentato il corso di formazione “ANSYS Summer School CFD/FEM” presso il Politecnico di Milano dal 22 al 24 Settembre 2014 in cui sono state approfondite alcune tematiche, utili al programma di lavoro, inerenti la CFD;

 Partecipazione al 69° Congresso nazionale ATI di Milano presentando, in qualità di relatore, la memoria: “Numerical and experimental analysis of the intake and exhaust valves of a rotary expansion device for micro generation”;

 Frequentazione del corso di formazione “ANSYS Summer School CFD/FEM” presso l’Università di Pisa dal 23 al 25 Settembre 2015 in cui sono state approfondite alcune tematiche, utili al programma di lavoro, inerenti la CFD;

 Partecipazione al seminario tenuto dalla Elsevier “Come pubblicare con successo sulle riviste scientifiche più importanti a livello internazionale” tenuto a Pisa il 7/11/2014;

Partecipazione al corso tenuto dal Prof. Wallwork “Writing scientific articles in English” e “Presenting research at international conferences”;

Partecipazione al corso tenuto dal Prof. Flandoli “Probabilità Statistica e Processi stocastici”

Partecipazione al corso tenuto dal Prof. Tarsia intitolato “Introduzione allo studio delle equazioni differenziali alle derivate parziali “;

Partecipazione al corso tenuto dal Prof. Forgione riguardo la programmazione in MATLAB;

 Partecipazione al corso PhD+: valorizzazione della ricerca, innovazione e spirito imprenditoriale tenuto a Pisa dal 23 Febbraio al 22 Aprile 2016;

 Attivita’ di revisione per alcune riviste internazionali riguardo lo sviluppo di tecnologie solari ed energetiche.

Data Firma

09/01/2017

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