• degradazione termica ciclopentano
• ciclo ORC

Il presente lavoro di tesi prende a riferimento studi condotti sui fluidi organici, in particolare quelli della famiglia del C5 (ciclopentano, iso-pentano, n-butano), per studiarne gli effetti della degradazione termica sui parametri del sistema. L’obiettivo dello studio consiste nell’ideare un efficiente modulo ORC, ottimizzandone sia il design che l’off-design, in funzione del modello di degradazione studiato.
Nella prima parte dell’elaborato è stato analizzato, in ambiente ASPEN HYSYS, un possibile design preliminare del ciclo, in base al fluido preso in esame ed ai vincoli imposti massimizzando successivamente l’energia elettrica netta prodotta.
Completata la parte di design del ciclo si è passati alla fase di off-design degli scambiatori di calore: evaporatori ed air-cooler. Preliminarmente si è scelto di non creare il design della turbina e della pompa e si è preferito mantenere un determinato rendimento isoentropico poiché l’analisi si è concentrata in maniera più accurata e profonda sugli scambiatori.
Utilizzando dei modelli presenti in letteratura [11-13] per la degradazione del ciclopentano, in base ai tempi di resistenza e alle temperature nel reattore dell’esperimento, è stato costruito un modello per prevedere la degradazione termica all’interno del circuito ORC su base annua.
È stata imposta, in off-design, la geometria degli scambiatori ed è stata calcolata la carica all’interno dell’impianto utilizzando dei modelli presenti in letteratura e, successivamente, i tempi di residenza del fluido per stabilire il numero di cicli necessario affinché venga eguagliato il tempo di permanenza nel reattore di prova.
Sono state ideate quattro prove per mettere a confronto i dati sulla degradazione del fluido in base a diverse configurazioni impiantistiche mantenendo costanti i dati di input ovvero temperatura, pressione e portata dei gas esausti.
Nella prima prova tra il circuito del ciclopentano e quello dei gas di esausto è stato messo un loop di olio diatermico che ha portato ad una temperatura di uscita del fluido di lavoro a circa 220°C. Nella seconda si è eliminato il circuito intermedio dell’olio, mantenendo le condizioni del fluido sub-critiche ma mettendo un circuito rigenerativo al suo interno. Nella terza prova è stato mantenuto il design ma la pressione è stata modificata e portata a supercritica innalzando la temperatura di ingresso del fluido in turbina a 260°C. Nella quarta, ed ultima prova, è stato mantenuto il design della seconda ma l’impianto è stato portato a condizioni di pressione più elevate con una temperatura di ingresso in turbina di 300°C.
Confrontate le prestazioni dei quattro casi, si è riscontrato un effettivo peggioramento della potenza netta, del rendimento di primo principio, un aumento della pressione di condensazione un aumento di portata volumetrica alla fine dell’espansione nei casi tre e quattro. Per casi uno e due non si sono riscontrate variazioni di prestazione poiché la degradazione del ciclopentano è minima.
Si è dimostrato dall’analisi che il caso più favorevole è il secondo se si guarda al lungo periodo, ovvero un arco di tempo ventennale. Se invece si vuole progettare un ciclo ORC con una durata temporale più bassa (circa decennale) le soluzioni migliori sono sicuramente quelle dei casi tre e quattro.