Abstract

L’obiettivo del presente progetto è studiare la fattibilità di turbine a flusso bifase per la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili, ad esempio geotermiche e solari, e a scopi di cogenerazione. Esistono molte fonti di acqua ad elevata temperatura non pienamente sfruttate per la generazione di elettricità. L’energia contenuta nell’acqua ad alta temperatura può essere utilizzata direttamente oppure trasferita ad un fluido di lavoro bassobollente per ottenere energia elettrica. Tuttavia, alle temperature e pressioni alle quali l’acqua è tipicamente disponibile, risulta generalmente impossibile la vaporizzazione completa del fluido di lavoro, che si trova pertanto a funzionare nella regione bifase (vapore umido). I dispositivi per la conversione di energia a funzionamento bifase sono generalmemente caratterizzati da bassi rendimenti e scarsa durata, per via dell’impatto delle goccioline liquide mescolate al vapore sulla superficie delle palette. Esiste tuttavia una possibilità di migliorare notevolmente il rendimento globale del ciclo. Le turbine bifase del tipo ad azione hanno discreti rendimenti, ma soffrono di un tasso di erosione delle palette molto elevato, a causa dell’impatto intermittente di gocce di liquido ad alta velocità. I rendimenti delle prime turbine bifase a reazione, d’altro canto, sono molto bassi. Se il rendimento di turbina delle turbine bifase a reazione potesse essere aumentato a livelli accettabili, allora sarebbe possibile l’applicazione pratica dei vantaggi dei cicli bifase in molti sistemi energetici, i. e. i rendimenti globali di tali sistemi potrebbero aumentare in modo significativo. L’obiettivo primario del presente progetto è realizzare un approfondito studio numerico di turbine bifase a reazione esistenti, al fine di identificare in modo chiaro i principali meccanismi di perdita. A tal fine sarà sviluppato uno strumento numerico in grado di simulare flussi bifase di vapore umido attraverso palettature di turbina. La realizzazione di tale strumento di calcolo prevederà due fasi: una fase di messa a punto di modelli termofisici accurati per la previsione dei fenomeni di condensazione ed evaporazione in seno al fluido, ed una di sviluppo di una metodologia numerica efficiente ed accurata per la risoluzione delle equazioni di governo del problema. Il codice così sviluppato sarà validato con l’ausilio dei dati sperimentali disponibili in letteratura per flussi bifase attraverso ugelli De Laval e flussi attraverso schiere di palettature di turbina. Una volta completata la fase di validazione, la metodologia numerica sviluppata sarà utlizzata per studiare in dettaglio tipologie esistenti di turbine bifase, al fine di individuarne i principali meccanismi di perdita. Tali conoscenze permetteranno di avanzare delle ipotesi di modifica del sistema per innalzarne le prestazioni in termini di rendimento e durata. In tale fase ci si avvarrà anche di strategie di ottimizzazione automatica, basate su algoritmi genetici. Lo sviluppo di turbine bifase ad alto rendimento può avere un enorme beneficio dal punto di vista economico e ambientale, data la possibilità di sfruttare fonti di energia rinnovabile a più bassa temperatura.