66 Congresso Nazionale ATI Cosenza, 5-9 Settembre 2011

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1 66 Congresso Nazionale ATI Cosenza, STABILITÀ TERMICA DI FLUIDI DI LAVORO E PRESTAZIONI TERMODINAMICHE DEL REFRIGERANTE HFC-245FA IN CICLI PER APPLICAZIONI GEOTERMICHE Paola Bombarda 1, Costante M. Invernizzi 2,*, Marco Pasetti 2 1 Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano 2 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Brescia * Corresponding Author 7 Settembre 2011 Sessione 2A Tema 6 Sistemi energetici convenzionali ed avanzati

2 Sommario 2 Procedura sperimentale per la valutazione della stabilità termica di fluidi di lavoro per macchine termodinamiche; Risultati delle misure di stabilità termica per il refrigerante HFC- 245fa (1,1,1,3,3- pentafluoropropano); Analisi preliminare delle prestazioni del fluido HFC-245fa in cicli binari per lo sfruttamento di sorgenti geotermiche.

3 3 Stabilità termica dei fluidi Metodo di misura Figura 1: Stazione di misura Misure di pressione e temperatura di un campione di fluido a volume costante Prove di stress termico a diversi livelli di temperatura per un numero predefinito di ore Principale indice di decomposizione del fluido: scostamento della tensione di vapore rispetto alla curva di riferimento

4 Stabilità termica dei fluidi Procedura di prova Caricamento e degasaggio Aumento temperatura Degrado? Fine prova Riferimento p-t Prova di stress termico Misura della tensione di vapore Figura 2: Schema logico della procedura di prova

5 5 Apparato sperimentale Dispositivo di misura (I) Figura 3: Schema concettuale dell apparato sperimentale (semplificato ad una sola linea)

6 6 Apparato sperimentale Dispositivo di misura (II) Figura 4: Apparato sperimentale. (1,2) forno a muffola, (3) bombola di elio per le prove di tenuta in pressione, (4) bagno termostatico [-40 C,50 C], (5) sistema di acquisizione e controllo

7 7 Apparato sperimentale Dispositivo di misura (III) Figura 5: Circuito di prova. (1) cilindro di prova, (2) alloggiamento del sensore di temperatura, (3) valvola a soffietto, (4) connessione dei trasduttori di pressione, (5) linea da vuoto, (6) sezione di caricamento

8 8 Apparato sperimentale Dispositivo di misura (IV) Figura 6: Dettaglio del circuito di prova

9 9 Apparato sperimentale Strumentazione ed acquisizione dati (I) Figura 7: Schema concettuale del sistema di acquisizione e controllo. (A) dispositivo di distribuzione dell alimentazione e conversione i-v, (B) generatore di tensione programmabile, (C,D) acquisizione A/D trasduttori di pressione, (E) acquisizione A/D termocoppie, (F) scheda di campionamento digitale, (G) uscita analogioca

10 10 Apparato sperimentale Strumentazione ed acquisizione dati (II) Tabella 1: Caratteristiche tecniche degli strumenti di misura Strumenti di misura della pressione Produttore e modello BCM Sensors 131S(I) Principio di misura deformazione meccanica piezoresistiva al silicio Segnale di uscita 4-20 ma (tecnica di conduzione a 2 fili) Fondo scala (FSO) 0-1 bar, 0-10 bar e 0-50 bar Accuratezza 0.1%FSO Strumenti di misura della temperatura Linea 1 Linea 2 Produttore e modello Gefran TC1M Gefran TC1M Principio di misura Termocoppia di tipo J Termocoppia di tipo K Campo di misurazione -40 C C -40 C C Tolleranza di riferimento 2.5 C 2.5 C Tabella 2: Incertezza di misura della della pressione Fondo scala Incertezza composta* 0-1 bar bar 0-10 bar bar 0-50 bar bar * estesa al 95% di confidenza

11 11 Misure sperimentali: HFC-245fa Caratteristiche (I) Tabella 3: Parametri fisici e termodinamici Parametro Valore Temperatura critica ( C) Pressione critica (bar) 36.4 Punto normale di ebollizione ( C) 15.3 Massa molare (g/mol) Parametro di complessità molecolare 3.24 Ozone Depletion Potential, ODP 0 Atmospheric Lifetime (anni) ~7.4 Global Warming Potential, GWP ~1000 Figura 8: Struttura molecolare del fluido refrigerante HFC-245fa La temperatura critica relativamente elevata rende il fluido adatto ad applicazioni di recupero termico e per applicazioni geotermiche ad alta temperatura; La bassa temperatura di ebollizione e l elevata pressione critica ne favoriscono l impiego in motori di elevata potenza; Il parametro di complessità molecolare contenuto non richiede l utilizzo di cicli rigenerativi.

12 12 Misure sperimentali: HFC-245fa Misure di tensione di vapore (riferimento) Figura 9: Valori di tensione di vapore per HFC-245fa misurati in due prove distinte e confronto con la letteratura

13 13 Misure sperimentali: HFC-245fa Risultati dopo le prove di stress termico (I) Figura 10: Valori di tensione di vapore per HFC-245fa in seguito alle prove di stress termico a diversi livelli di temperatura

14 14 Misure sperimentali: HFC-245fa Risultati dopo le prove di stress termico (II) Figura 11: Scostamenti percentuali della tensione di vapore rispetto al riferimento dopo prove a diversi livelli di temperatura

15 15 Cicli geotermici binari con HFC-245fa Ipotesi di calcolo Fluido secondario: HFC-245fa; Temperatura minima di reiniezione: 70 C; Sorgente: acqua a c p costante; Sono state assunte come trascurabili: Potenza necessaria al sistema di raffreddamento; Perdite di carico agli scambiatori. Tabella 4: Parametri assunti per il calcolo delle prestazioni termodinamiche Parametro Valore Pressione di condensazione 3 bar Temperatura ambiente 25 C Surriscaldamento del vapore 5 C Sottoraffreddamento al condensatore 5 C Differenza minima di temperatura all'evaporatore 5,10,20 C Rendimento della pompa 0.7 Rendimento adiabatico della turbina 0.85 Rendimento elettrico 0.95

16 16 Cicli geotermici binari con HFC-245fa Schemi di impianto (a) Schema ad un livello di pressione (b) Schema a due livelli di pressione Figura 12: Schemi impiantistici considerati

17 17 Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione ad un livello di pressione (I) Figura 13: Massimo valore del fattore di qualità termodinamica in funzione della temperatura della sorgente per cicli ad un solo livello di pressione

18 18 Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione ad un livello di pressione (II) Figura 14: Pressione di evaporazione e temperature della sorgente all uscita dal preriscaldatore per i valori di FQ ottimizzati, in funzione della temperatura della sorgente

19 19 Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione a due livelli di pressione Figura 15: Fattore di qualità per cicli binari semplici ad un livello e per cicli a due livelli con temperatura di sorgente a 160 C

20 Conclusioni 20 Stabilità termica del fluido HFC-245fa stabile fino ad un livello di temperatura di C dimostra una progressiva decomposizione alle temperature successive, senza tuttavia comprometterne l utilizzo in cicli ORC fino a 300 C Le caratteristiche termodinamiche del fluido (stabilità termica fino a 300 C, temperatura critica ~150 C e basso valore di complessità molecolare), lo rendono adatto per applicazioni a recupero termico e per applicazioni geotermiche ad alta temperatura; Applicazioni geotermiche: il fluido dimostra buone prestazioni in cicli leggermente surriscaldati ad un livello di pressione, per sorgenti con temperatura massima di C (FQ= per Δt min,ev =5 C); per temperature fra 160 e 180 C, l utilizzo di due livelli di pressione all evaporatore permette un completo sfruttamento della sorgente (un FQ superiore del 5% per Δt min,ev =5 C), richiedendo tuttavia una maggiore superficie agli scambiatori.