Espansori volumetrici nei cicli rankine a vapore e a fluido organico in sistemi di piccola taglia

I sistemi a ciclo Rankine che impiegano fluidi organici sono impiegati per recuperare calore a medio-bassa temperatura. Le sorgenti sfruttate possono essere di natura rinnovabile, oppure si può utilizzare il calore di scarto derivante da processi industriali. Le proprietà dei fluidi di lavoro impiegati nei sistemi ORC consentono di ottenere diversi vantaggi, rispetto ai cicli a vapore tra cui: temperature e pressioni inferiori. Il componente più importante in un ORC è l’espansore che consente di trasformare l’energia termica in energia meccanica. Lo scopo della tesi è stato di comprendere il comportamento degli espansori a pistone, ad oggi poco utilizzati per queste applicazioni. È stata svolta una ricerca delle macchine sperimentali discusse in letteratura scientifica e presenti sul mercato. Sono state estrapolate e analizzate le performance e discusso lo stato dell’arte. La macchina più potente può generare 11,8 kW e ha un rendimento isoentropico del 78%. Inoltre, è emerso che vengono utilizzati in sistemi di piccola-media taglia. Si è concluso che gli espansori a pistone sono macchine flessibili e si adattano a diverse condizioni di lavoro e operano con diversi fluidi (etanolo, R245fa, acqua). Utilizzando fluidi organici, le temperature massime di ciclo vanno da 26°C a 235°C, impiegando pressioni da 14,7 bar a 81,8 bar. Utilizzando acqua, invece, le temperature arrivano a 380°C e le pressioni fino a 100 bar. È stata compiuta una ricerca di mercato per individuare le caratteristiche di macchine commerciali. Tali dispositivi sono generalmente utilizzati in configurazioni modulari, inserendo in uno stesso sistema varie macchine, per aumentarne le prestazioni. Si è svolta un’analisi utilizzando il diagramma di Balje per verificare la rispondenza dei riferimento indicati in esso. Dal confronto, è emerso che le prestazioni non sono corrispondenti. Si sono quindi approfondite le macchine sperimentali ricercate, ricavando spunti per una ricerca più dettagliata.