Analisi fluidodinamica tridimensionale di un espansore a pistoni per cicli ORC di piccola taglia

Questo lavoro si colloca nell’ambito della ricerca sui sistemi Rankine organici (ORC), tecnologie sviluppate per il recupero del calore da sorgenti ad alta temperatura e la conversione in energia utile. Nonostante i progressi nella progettazione di sistemi ORC di media e alta potenza, le applicazioni a piccola scala rimangono poco esplorate. Questa tesi si propone di modellare tramite analisi fluidodinamiche diverse tipologie di espansori volumetrici radiali accoppiati a cicli ORC di piccola taglia presenti nel laboratorio di Microcogenerazione dell’Università di Bologna. L’indagine si concentra su due prototipi, a tre e quattro cilindri, sviluppati tramite modellazione tridimensionale CAD attraverso i brevetti disponibili dall’azienda costruttrice StarEngine. Sono state studiate le leggi di manovellismo caratteristiche della macchina e approfondito la geometria delle valvole rotative presenti, in seguito è stato analizzato il comportamento dell’espansore con simulazioni CFD tridimensionali attraverso il software SIMERICS MP+. I risultati numerici sono stati validati confrontandoli con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio. L’analisi ha evidenziato margini di ottimizzazione legati alle geometrie interne, alla cinematica delle valvole rotative e all’interazione tra fluido-struttura. In particolare, si è dimostrato come il grado di ammissione, il ritardo di fase delle valvole e la geometria dei condotti influenzino significativamente l’efficienza volumetrica e isoentropica del sistema. Le simulazioni per il caso a tre cilindri hanno prodotto risultati con errori relativi sotto il 20%, con prestazioni che si avvicinano ai valori sperimentali per alte velocità di rotazione. Tuttavia, si è notato che la modellazione adiabatica porta ad una sovrastima del rendimento isoentropico mentre il modello di turbolenza k-ε ha mostrato limitazioni per basse velocità, suggerendo la necessità di adottare modelli alternativi per migliorare la cattura di fenomeni laminari.