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STABILITÀ TERMICA DI FLUIDI DI LAVORO E PRESTAZIONI TERMODINAMICHE DEL REFRIGERANTE HFC-245FA

IN CICLI PER APPLICAZIONI GEOTERMICHE

Paola Bombarda1, Costante M. Invernizzi2,*, Marco Pasetti2

1 Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano 2 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Brescia

* Corresponding Author

Sessione 2A – Tema 6 Sistemi energetici convenzionali ed avanzati 7 Settembre 2011

66° Congresso Nazionale ATI Cosenza, 5-9 Settembre 2011

Sommario

66° Congresso Nazionale ATI, Cosenza 5-9 Settembre 2011

Stabilità termica di fluidi di lavoro e prestazioni termodinamiche del refrigerante HFC-245fa in cicli per applicazioni geotermiche

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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.

Stabilità termica dei fluidi Metodo di misura



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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

Figura 1: Stazione di misura

Stabilità termica dei fluidi Procedura di prova



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Degrado? Caricamento e degasaggio

Riferimento p-T Prova di stress

termico Misura della

tensione di vapore

Fine prova

Aumento temperatura

Figura 2: Schema logico della procedura di prova

1 5

2 3 4

6

Apparato sperimentale Dispositivo di misura (I)



5

Figura 3: Schema concettuale dell’apparato sperimentale (semplificato ad una sola linea)

Apparato sperimentale Dispositivo di misura (II)



6

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

1

2 3

4 5

Apparato sperimentale Dispositivo di misura (III)



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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

1

2

4

4

6

5 3

Apparato sperimentale Dispositivo di misura (IV)



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Figura 6: Dettaglio del circuito di prova

Apparato sperimentale Strumentazione ed acquisizione dati (I)



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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

Apparato sperimentale Strumentazione ed acquisizione dati (II)



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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. . . +550°C -40°C. . . +1050°C Tolleranza di riferimento 2.5°C 2.5°C

Fondo scala Incertezza composta* 0-1 bar 0.0023 bar

0-10 bar 0.0226 bar 0-50 bar 0.1130 bar

* estesa al 95% di confidenza

Tabella 1: Caratteristiche tecniche degli strumenti di misura

Tabella 2: Incertezza di misura della della pressione

Misure sperimentali: HFC-245fa Caratteristiche (I)



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Parametro Valore Temperatura critica (°C) 154.05 Pressione critica (bar) 36.4 Punto normale di ebollizione (°C) 15.3 Massa molare (g/mol) 134.05 Parametro di complessità molecolare 3.24 Ozone Depletion Potential, ODP 0 Atmospheric Lifetime (anni) ~7.4 Global Warming Potential, GWP ~1000

Tabella 3: Parametri fisici e termodinamici

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.

Misure sperimentali: HFC-245fa Misure di tensione di vapore (riferimento)



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Figura 9: Valori di tensione di vapore per HFC-245fa misurati in due prove distinte e confronto con la letteratura

Misure sperimentali: HFC-245fa Risultati dopo le prove di stress termico (I)



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Figura 10: Valori di tensione di vapore per HFC-245fa in seguito alle prove di stress termico a diversi livelli di temperatura

Misure sperimentali: HFC-245fa Risultati dopo le prove di stress termico (II)



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Figura 11: Scostamenti percentuali della tensione di vapore rispetto al riferimento dopo prove a diversi livelli di temperatura

Cicli geotermici binari con HFC-245fa Ipotesi di calcolo



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Fluido secondario: HFC-245fa;

Temperatura minima di reiniezione: 70°C;

Sorgente: acqua a cp costante;

Sono state assunte come trascurabili: Potenza necessaria al sistema di raffreddamento;

Perdite di carico agli scambiatori.

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

Tabella 4: Parametri assunti per il calcolo delle prestazioni termodinamiche

Cicli geotermici binari con HFC-245fa Schemi di impianto



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Figura 12: Schemi impiantistici considerati

(a) Schema ad un livello di pressione (b) Schema a due livelli di pressione

Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione ad un livello di pressione (I)



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Figura 13: Massimo valore del fattore di qualità termodinamica in funzione della temperatura della sorgente per cicli ad un solo livello di pressione

Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione ad un livello di pressione (II)



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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

Cicli geotermici binari con HFC-245fa Risultati della simulazione a due livelli di pressione



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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

Conclusioni



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Stabilità termica del fluido HFC-245fa stabile fino ad un livello di temperatura di 180÷200°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 150÷180°C (FQ=0.4÷0.5 per Δtmin,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 Δtmin,EV=5°C), richiedendo tuttavia una maggiore superficie agli scambiatori.

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