RELAZIONE DELLE ATTIVITÀ SVOLTE DURANTE IL DOTTORATO ANDREA BACCIOLI
Il tema di ricerca del dottorato riguarda l’analisi in condizioni di off-design di impianti di piccola taglia per la generazione distribuita di energia elettrica operanti tramite cicli a fluidi organici.
ATTIVITÀ DEL PRIMO ANNO
Nel primo anno di dottorato, parte del tempo è stato dedicato alla documentazione e all’analisi dello stato dell’arte della tecnologia ORC (Organic rankine Cycles) applicata alla microgenerazione, in modo da avere una conoscenza approfondita delle configurazioni, dei campi di applicabilità e delle problematiche relative a questi sistemi.
Dall’analisi della letteratura si nota che pochi autori hanno analizzato il comportamento transitorio del sistema, nonostante che la maggior parte delle fonti utilizzate in quest’ambito, sia caratterizzata da una certa variabilità e aleatorietà.
Per questo motivo il tema della ricerca di strategie di controllo che ampliassero la flessibilità e l’efficienza dei sistemi operanti con ciclo organico è stato ritenuto attuale e di notevole interesse scientifico.
È stato creato un modello numerico in ambiente AMESim per simulare il comportamento di un modulo ORC che potesse essere applicato a varie fonti a bassa temperatura (solare, geotermico, e sistemi di recupero del calore di scarto) e permettere di verificare l’applicabilità di varie strategie di controllo.
Tramite questo modello è stato analizzato un sistema di recupero del calore da un generico processo industriale (Waste Heat Recovery). Lo scopo del lavoro è stato quello di verificare l’adattabilità dell’espansore ad operare in condizioni non stazionarie, valutando diverse strategie di controllo. Per la scelta dell’espansore è stato utilizzato il modello numerico dell’espansore Wankel già sviluppato precedentemente, il cui prototipo è stato sviluppato nel dipartiment D.E.S.T.eC.
Il fluido termovettore utilizzato è composto da una corrente di gas combusti, caratterizzati da una portata e da una temperatura variabili nel tempo (i valori sono compresi fra 1.8 e 0.4 kg/s e fra 200 e 130 °C). La portata volumetrica e il rendimento isentropico dell’espansore Wankel al variare del numero di giri e del salto di pressione fra ammissione e scarico sono stati interpolati ed utilizzati per il calcolo della potenza erogata dall’espansore. Per la pompa di alimentazione del ciclo è stato scelto un sottomodello di pompa volumetrica controllata in velocità in funzione del livello di liquido contenuto all’interno dell’evaporatore. Lo scambiatore di calore è stato discretizzato in più sezioni per garantire un andamento delle curve di scambio il più vicino possibile alla realtà. Il condensatore è supposto essere raffreddato ad acqua ed è stata imposta una temperatura di condensazione costante e pari a 35°C.
Sono state quindi analizzate tre diverse strategie di controllo dell’impianto: la prima strategia adottata consiste nel mantenere costante la velocità di rotazione dell’espansore lasciando libera di variare la temperatura di evaporazione. La seconda strategia consiste nel determinare un valore di set point della temperatura di evaporazione e controllare tramite questo parametro la velocità dell’espansore. La terza strategia di controllo prevede di adottare un set point della temperatura di evaporazione variabile, in modo da massimizzare l’efficienza globale del sistema e tramite il valore del set point controllare la velocità di rotazione dell’espansore. Tale funzione è stata calcolata in condizioni stazionarie e dipende dalla temperatura della sorgente e dal prodotto della portata volumetrica per la pressione di ammissione nell’espansore. Queste variabili sono state scelte a causa della loro facile misurabilità.
La strategia di controllo a giri costanti è quella che non consente di mantenere il funzionamento dell’impianto in condizioni di sicurezza, in quanto limitando la velocità massima di rotazione la temperatura e pressione di evaporazione del fluido di lavoro può subire incrementi che la portano a funzionare oltre il punto di progetto del sistema. Questa strategia è adatta per sistemi in cui le variazioni di carico siano limitate;
la strategia di controllo a temperatura di evaporazione costante fornisce ottimi risultati se il set point è scelto accuratamente, altrimenti la potenza media fornita e il rendimento globale decrescono con l’andamento riportato in fig. 1. Questa strategia risulta adatta per quei sistemi in cui il valore ottimale del set point può essere stabilito a priori.
La terza strategia, con set point della temperatura di evaporazione variabile, fornisce sempre i risultati migliori in termini di potenza meccanica media erogata e quindi di efficienza globale del sistema e risulta essere adatta per i sistemi che sono soggetti ad ampie e casuali fluttuazioni del carico termico.
Altre attività svolte durante il primo anno:
15 ore come esercitatore per il corso di Energetica Applicata e Progetto di Macchine Termiche, sull’utilizzo del software Ansys Fluent;
Attestato di partecipazione al 69° Congresso ATI di Milano, in cui è stata esposta la memoria “Small scale ORC plant modeling with the AMEsim simulation tool: analysis of working fluid and thermodynamic cycle parameters influence”;
Attestato di partecipazione alla Ansys Summer School, dal 22 al 24 settembre 2014.
Sperimentazione su un prototipo di espansore volumetrico rotativo alimentato ad aria compressa. ATTIVITÀ DEL SECONDO ANNO
Parte di quest’anno di dottorato è stata dedicata alla modellazione stazionaria e dinamica di un impianto solare a bassa concentrazione, la cui analisi stazionaria è stata oggetto di analisi durante il primo anno di dottorato e ha portato alla pubblicazione dell’articolo “Electrical Production of a Small Size Concentrated Solar Power Plant with Compound Parabolic Collectors”, sulla rivista internazionale Renewable Energy e “Dynamic Modeling of a low concentration Solar Plant: a control strategy to improve flexibility” anchesso sulla rivista Renewable Energy.
Il modello del modulo ORC sviluppato durante il primo anno è stato debitamente modificato e adattato alla fonte solare, mantenendo espansore e fluido di lavoro. La presenza di un espansore volumetrico consente una regolazione mediante variazione del numero di giri della macchina e la possibilità di operare a pressioni di saturazione variabili, conferendogli un’alta flessibilità che consente di non utilizzare alcun sistema di accumulo. Per limitare il numero di componenti e appesantirne quindi il calcolo, il campo solare e il circuito del fluido termovettore è stato modellato aperto, in cui all’uscita viene campionato il segnale di temperatura e di portata e inviato all’impianto, mentre all’ingresso del campo viene assegnato il valore di portata e temperatura in uscita dall’impianto. In questo modo è possibile modellare una sola fila di collettori e moltiplicare la portata per il numero di file. Gli scambiatori sono stati modellati utilizzando la libreria del software e per ragioni di sia numeriche che di maggior semplicità di controllo sono stati divisi in una sezione di economizzazione, una di evaporazione e una di surriscaldamento, ognuna delle quali discretizzata in più elementi per consentire di simulare in modo più realistico lo scambio termico. Per il condensatore è stato ipotizzato l’utilizzo di un condensatore ad aria, modellandolo come una camera a temperatura imposta e calcolando il consumo dei ventilatori, impostando un consumo di 17 W per ogni kW termico condensato. Per la regolazione dell’impianto è stato progettato un sistema in anello chiuso con tre loop di controllo per controllare la temperatura del fluido termovettore in uscita dal campo solare, tramite la variazione del numero di giri della pompa, la pressione di evaporazione tramite la variazione della velocità dell’espansore, e il livello di liquido all’interno dell’evaporatore tramite la variazione della velocità della pompa.
Le simulazioni hanno evidenziato l’effettiva adattabilità della strategia di controllo al tipo di sistema, consentendo un risparmio notevole del numero di collettori, rispetto ad analoghi impianti dotati di accumulo. È stato anche dimostrato che l’effetto dell’inerzia del campo solare riveste un ruolo negativo, in quanto non tutta l’energia interna accumulata dal campo solare durante il riscaldamento viene ceduta successivamente durante la fase di spegnimento dell’impianto. Il confronto della produzione specifica dell’impianto, in un anno intero di funzionamento e per diverse località, con quella ottenuta in condizioni stazionarie ha consentito di evidenziare ancora di più il ruolo dell’inerzia: campi solari con bassa inerzia forniscono i risultati più simili fra i due tipi di analisi, confermando nuovamente il ruolo deleterio dell’inerzia del campo solare. Parallelamente all’attività sul solare in quest’anno sono stati anche studiate varianti ai cicli ORC per il recupero da fonti di calore a bassa temperatura e per lo sfruttamento dell’energia geotermica, considerati i bassi risultati in termini di efficienza di recupero ottenuti dall’analisi svolta durante il primo anno sui sistemi di recupero del calore. I cicli ORC a causa della presenza del pinch point e dell’evaporazione a temperatura costante provocano elevate perdite di exergia sia a livello dello scambio termico sia a causa dell’alta
temperatura rispetto a quella di condensazione a cui il fluido termovettore viene scaricato nell’ambiente. In letteratura vi sono numerosi studi mirati al ridurre l’entità di queste perdite (cicli Kalina, cicli ORC supercritici, cicli ORC con fluidi glide). I cicli Flash con fluidi organici (Organic Flash Cycle), possono essere una valida alternativa: lo scambio termico infatti avviene non più coinvolgendo la zona bifase, ma avviene tutto in campo monofase. Una prima soluzione studiata in letteratura non risulta essere economicamente conveniente a causa delle elevate superfici di scambio richieste. È stata quindi ideata una seconda soluzione rigenerativa in modo da preriscaldare il fluido all’ingresso dello scambiatore tramite un mixer, sfruttando l’entalpia del liquido del secondo evaporatore flash. In termini di efficienza globale le due soluzioni non mostrano significative differenze, in quanto se da un lato la rigenerazione provoca un incremento della perdita exergetica per la più alta temperatura di uscita degli effluenti, dall’altro il ciclo risulta essere più efficiente a causa della rigenerazione, compensando i due effetti.
Dall’analisi economica è stato evidenziato che i costi specifici dei componenti di maggior rilievo della soluzione rigenerata hanno valori equiparabili a quelli dei tradizionali cicli ORC, consentendo comunque una maggiore efficienza.
Pubblicazioni accettate durante l’anno:
“Electrical Production of a Small Size Concentrated Solar Power Plant with Compound Parabolic Collectors”, M. Antonelli, A. Baccioli, M. Francesconi, U. Desideri, L. Martorano. Renewable Energy 2015.
“Dynamic modelling of a low-concentration solar plant: a control strategy to improve flexibility”, M. Antonelli, A. Baccioli, M. Francesconi, U. Desideri, L. Martorano. Inviata a Renewable Energy. “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,
Altre attività Seminari:
Publishing Connect Author Workshop, Pisa 7 novembre 2014. Corsi seguiti:
Probabilità, Statistica e Processi Stocastici; Writing scientific articles in English; Informatica applicata all’Ingegneria; Ansys Summer School 2015.
Insegnamento:
15 ore di lezione svolte nell’ambito del corso Energetica Applicata e progetto di macchine Termiche, in cui è stato introdotto il software Fluent e sono state analizzate con esso applicazioni di interesse energetico.
Altro:
ATTIVITÀ DEL TERZO ANNO
Durante il terzo anno sono stati rivisti i risultati ottenuti negli anni precedenti ed è stata fatta una analisi in off-design dei cicli flash per sistemi di recupero del calore, confrontando la soluzione rigenerata con quella proposta in letteratura ed utilizzando una strategia di controllo combinata, analoga a quella utilizzata nei cicli ORC. La simulazione è stata eseguita in condizioni stazionarie sul software ASPEN HYSYS, che consente di dimensionare i sistemi con componenti commerciali e successivamente analizzarli una volta assemblati per formare un sistema.
I risultati hanno dimostrato che la soluzione rigenerata, oltre a necessitare di componenti meno costosi, permette anche al sistema una maggiore flessibilità rispetto alla soluzione presentata in letteratura, grazie al maggior rendimento di ciclo che evita problemi di parziale condensazione.
Metà dell’anno è stata inoltre dedicata alla stesura dell’elaborato finale. Altre attività
Relatore della tesi di laurea magistrale “Scelta dei componenti e progettazione di un impianto ORC di piccola taglia” Carlo Maccioni;
15 ore di lezione svolte nell’ambito del corso di Macchine (laurea triennale in Ingegneria Meccanica).
