Small scale cogeneration systems based on organic Rankine cycle technology

La tecnologia dei cicli Rankine a fluido organico (Organic Rankine Cycle, ORC) rappresenta una delle soluzioni più studiate per il recupero termico a partire da fonti di calore a bassa temperatura, grazie alle sue caratteristiche peculiari, come gli interessanti valori di rendimento, la possibilità di operare a basse pressioni e la sua intrinseca compatibilità con la cogenerazione. Lo scopo della presente tesi è quello di contribuire alla conoscenza sugli ORC, in particolare sulle applicazioni di taglia domestica, ad oggi quelle meno sfruttate commercialmente. La ricerca si basa sull'analisi dello stato dell'arte, sullo sviluppo di modelli numerici e sull'attività sperimentale su prototipi progettati e costruiti per lo scopo. L'analisi bibliografica, condotta durante l'intero svolgimento del Dottorato di Ricerca e riportata nel presente documento, ha evidenziato le grandi potenzialità di un sistema ORC nel range di potenza di pochi kWe e ha permesso di confrontare i risultati ottenuti dai diversi gruppi di ricerca focalizzati sull'argomento. I modelli numerici sono stati dapprima incentrati sull'espansore, uno dei componenti più critici del sistema: in particolare, sono stati implementati codici dedicati per un espansore scroll, soluzione frequentemente adottata sui sistemi di piccola scala, e per una macchina a pistone, studiata come possibile alternativa. Le analisi hanno evidenziato prestazioni decisamente buone per entrambi gli espansori, con valori del rendimento globale isentropico superiori a 0.60. Questi codici numerici sono stati successivamente inseriti in dei modelli globali del cogeneratore, implementati con diversi software commerciali: questi strumenti hanno permesso di simulare il comportamento del sistema in un ampio spettro di condizioni operative e con vari fluidi di lavoro. Il rendimento elettrico raggiungibile è stato stimato su valori compresi tra 0.08 e 0.12, rappresentando questi delle prestazioni molto interessanti, in considerazione delle basse temperature operative e della piccola taglia dei dispositivi. Lo studio è stato completato da due distinte attività sperimentali. Per primo è stato sviluppato un banco prova pompe, con lo scopo di verificare la compatibilità di una pompa, originariamente progettata per oli leggeri, con l'installazione in sistemi ORC di piccola taglia. La misura delle prestazioni della pompa ha evidenziato come questa possa essere un'opzione valida, grazie al suo alto rendimento accoppiato ai bassi costi, anche se sono necessari ulteriori test per confermare i risultati ed analizzare alcuni problemi operativi prima di poter trarre delle conclusioni definitive. Infine, è stato testato un primo prototipo di cogeneratore completo: questa attività sperimentale ha confermato le prestazioni attese dall'analisi bibliografica e previste dagli studi numerici, ma ha evidenziato anche la necessità di alcuni miglioramenti sul sistema, per poter raggiungere prestazioni migliori e ridurre i costi. Questi rappresentano gli sviluppi futuri del lavoro descritto nella presente tesi, con lo scopo finale di realizzare un prototipo tecnicamente ed economicamente vantaggioso.