Riassunto analitico
La questione del risparmio energetico coinvolge capillarmente e trasversalmente la quasi totalità dei settori industriali, generando un vantaggio competitivo tanto maggiore quanto più si attuino accorgimenti volti all’uso razionale dell’energia e alla riduzione della sua dispersione nell’ambiente.
Tra le diverse tecnologie in grado di trasformare il calore a bassa temperatura in forme più nobili quali l’energia elettrica o l’energia meccanica, l’implementazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC - Organic Rankine Cycle) a valle di impianti che necessitano di raffreddamento (processi tecnologici, motori a combustione interna, ecc.) si dimostra particolarmente promettente.
Una delle maggiori sfide consiste nel rendere economicamente conveniente l’utilizzo industriale di questa tipologia di impianti che, in accordo con il Secondo Principio della Termodinamica, difficilmente superano il 10% di rendimento. Pertanto, si cerca di impiegare turbine veicolistiche già commercialmente reperibili, evitandone gli alti costi di progettazione e produzione ad-hoc, adattando ad esse l’intero ciclo Rankine e prestando particolare cura alla scelta del fluido di lavoro (o di una miscela di sostanze, zeotropica o azeotropica a seconda delle esigenze di matching termico degli scambiatori).
In questa tesi viene innanzitutto ricercato un approccio innovativo di previsione delle prestazioni di un ciclo al variare del fluido, note le potenzialità produttive dello stesso layout con una data sostanza. Esso si basa fondamentalmente sul Teorema di Buckingham relativo alla similitudine fluidodinamica, applicato alla variazione dei parametri chimico-fisici del fluido di lavoro e non alla tradizionale scalatura geometrica di una stessa famiglia di turbomacchine. Lavorando con gas organici, tipicamente molto lontani dall’avere un comportamento ideale, questa tecnica soffre strutturalmente dell’insufficienza di informazioni chimico-fisiche e di modelli matematici relativi a tali sostanze, restituendo risultati inattendibili ed affetti da errori inaccettabili.
La seconda parte è orientata a ricercare un metodo numerico quanto più possibile obiettivo per distinguere e misurare automaticamente i vari tipi di perdite aerodinamiche a cui è inevitabilmente soggetta una turbina radiale. Il relativo modello CFD-3D è stato specializzato in conformità a due lavori reperibili in letteratura basati sulla quantificazione della produzione localizzata di entropia, i cui risultati sono fortemente influenzati dalla sensibilità dell’operatore e dall’interpretazione soggettiva. Si è quindi creata una simulazione CFD-3D altamente parametrizzata e configurabile che prevede un largo impiego di elementi di programmazione (tra i quali le cosiddette “field functions”). L’attività è volta a rendere completi e maggiormente intelligibili i risultati derivanti da una moltitudine di simulazioni eseguite sia al variare dei parametri termodinamici di impianto sia al cambiare del fluido di lavoro. In definitiva, si è voluta semplificare l’analisi comparativa di più configurazioni di funzionamento della turbina, fornendo uno strumento numerico di supporto a scelte tecniche orientate all’ottimizzazione delle prestazioni e dei rendimenti della stessa e, conseguentemente, dell’intero ciclo ORC.
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