Sviluppo e validazione di un modello semi-empirico di un sistema ORC a evaporazione parziale per il recupero di calore a bassa temperatura

Il recupero di calore a bassa temperatura rappresenta una strategia rilevante per ridurre i consumi di energia primaria; in questo contesto, i cicli Rankine organici (ORC) sono una soluzione adatta alla conversione di sorgenti termiche di piccola e media taglia. Il presente lavoro sviluppa, calibra e valida un modello semi-empirico 0D di un micro-ORC a evaporazione parziale (PE-ORC), finalizzato alla caratterizzazione del comportamento off-design, alla valutazione di fluidi alternativi a basso GWP e all’individuazione delle condizioni operative che massimizzano la potenza elettrica netta. Il modello è sviluppato con riferimento a un banco prova ORC di taglia dell’ordine del kW, dotato di espansore volumetrico a pistoni e caratterizzato sperimentalmente con R134a. Pompa, recuperatore, evaporatore, espansore e condensatore sono descritti mediante sotto-modelli semi-empirici che rappresentano i principali fenomeni termo-fluidodinamici, inclusi scambio termico bifase, perdite di carico, trafilamenti e flashing. Dopo la calibrazione, il modello è validato in ciclo aperto su un insieme indipendente di dati sperimentali, mostrando nel dominio validato RRMSE di circa 2–3% sulla portata, 4% sulla potenza della pompa e 10% su quella dell’espansore. Il solutore globale è quindi impiegato per: (i) un’analisi parametrica su R134a al variare del titolo di vapore all’ingresso dell’espansore; (ii) un confronto cross-fluid tra R134a, R1234yf e R1234ze(E), interpretato in termini di tendenze poiché non validato sperimentalmente sui fluidi alternativi; (iii) l’ottimizzazione della potenza elettrica netta mediante ricerca su griglia discreta, confrontando condizioni di espansione bifase e secca. I risultati sono infine discussi distinguendo il dominio validato dalle condizioni di estrapolazione del modello; tra gli sviluppi futuri sono indicati la validazione con fluidi a basso GWP e il raffinamento della procedura di ottimizzazione.