Titolo: Metodo e turbina per espandere un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine
* ;Campo dell’Invenzione ;La presente invenzione si riferisce ad un metodo per espandere un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine e ad una turbina che consente di implementare tale metodo. ;Stato della Tecnica ;Con la sigla ORC “Organic Rankine Cycle†notoriamente si identificano i cicli termodinamici di tipo Rankine sfruttati in corrispondenti impianti per produrre energia elettrica a partire da energia termica utilizzando un fluido di lavoro organico con elevata massa molecolare. ;Ad esempio gli impianti ORC sono impiegati per la produzione combinata di energia elettrica e termica a partire da biomassa solida; in alternativa si sfruttano cascami termici di processi industriali, il calore di recupero da motori primi o fonti di calore geotermiche. ;Ad esempio un impianto ORC alimentato a biomassa tipicamente comprende: ;- una camera di combustione alimentata con biomassa combustibile; ;- uno scambiatore di calore predisposto per cedere parte del calore dei fumi/gas della combustione ad un fluido termovettore, quale un olio diatermico, veicolato in un circuito intermedio; ;- uno scambiatore di calore predisposto per cedere parte del calore del fluido termovettore intermedio al fluido di lavoro per causarne l’evaporazione; ;- una turbina alimentata con il fluido di lavoro allo stato di vapore; e ;- un generatore elettrico azionato dalla turbina per la produzione di energia elettrica. ;Nella camera di combustione il fluido termovettore, ad esempio olio diatermico, viene riscaldato fino ad una temperatura normalmente pari a circa 300°C. Il fluido termovettore circola in un circuito chiuso, attraversando il sopramenzionato scambiatore di calore nel quale il fluido di lavoro organico evapora. Il vapore di fluido di lavoro espande nella turbina, producendo energia meccanica, poi trasformata in energia elettrica attraverso il generatore collegato all’albero della turbina stessa. Terminata la relativa espansione in turbina, il vapore di fluido di lavoro condensa in un apposito condensatore, cedendo calore ad un fluido di raffreddamento, generalmente acqua, utilizzata a valle dell’impianto come vettore termico a circa 80°C – 90°C, ad esempio per il teleriscaldamento. Il fluido di lavoro condensato viene alimentato allo scambiatore di calore attraversato dal fluido termovettore, completando il ciclo in circuito chiuso. ;L’energia elettrica prodotta può essere utilizzata per azionare dispositivi ausiliari dell’impianto e/o immessa in una rete di distribuzione elettrica. ;Negli impianti ORC caratterizzati da un elevato rapporto di espansione e da un elevato salto entalpico del fluido di lavoro in turbina, quest’ultima à ̈ dotata di tre o più stadi, dove con il termine stadio si indica l’insieme di una schiera di pale statorica e della corrispondente schiera di pale rotorica. ;Al crescere del numero di stadi della turbina oltre un certo limite risulta conveniente l’utilizzo di due turbine collegate in serie per l’azionamento di un singolo generatore. Pertanto invece di aumentare il numero di stadi di una singola turbina, ad esempio fino a sei stadi o più, si sceglie di adottare due turbine, ciascuna con tre stadi. ;Ad esempio, in un impianto progettato dalla Richiedente per la produzione di 5 MW invece di utilizzare una singola turbina assiale a sei stadi, destinata a ruotare a 3000 giri al minuto, si à ̈ scelto di utilizzare due turbine assiali, una di alta pressione e l’altra di bassa pressione, collegate con il relativo albero ad un singolo generatore, da parti opposte rispetto a questo. ;Le soluzioni con più turbine come quella descritta sopra comportano più di un inconveniente di natura tecnica ed economica. L’impianto deve essere dotato di più riduttori per l’accoppiamento delle turbine al generatore, valvole di adduzione del vapore nella turbina di bassa pressione aggiuntive rispetto alle valvole di ammissione in alta pressione, un condotto coibentato di collegamento fluidico tra le turbine, doppi cuscinetti, ecc. Questo comporta un aumento dei costi di produzione, messa a punto e manutenzione dell’impianto, nonché difficoltà tecniche per l’avviamento, il fermo e l’esercizio dell’impianto. ;Obiettivo e Sommario dell’Invenzione ;E’ uno scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione una turbina e un metodo per espandere un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine che consentano di risolvere gli inconvenienti delle soluzioni note. ;La presente invenzione riguarda pertanto, in un suo primo aspetto, un metodo secondo la rivendicazione 1. ;In particolare la presente invenzione riguarda un metodo per espandere un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine, comprendente la fase di alimentare il fluido di lavoro ad una turbina provvista di una pluralità di stadi, ciascuno definito da una schiera di pale statoriche alternata a una schiera di pale rotoriche vincolate ad un albero rotante sul relativo asse di rotazione. Vantaggiosamente il metodo comprende le ulteriori fasi: a) causare una prima espansione del fluido di lavoro attraverso uno o più stadi di tipo radiale, ;b) deviare il fluido di lavoro in una schiera di pale, definite pale angolari, dalla direzione di espansione iniziale sostanzialmente radiale ad una direzione di espansione sostanzialmente assiale e tangenziale (rispetto ad un osservatore solidale con dette pale angolari), e c) causare una seconda espansione del fluido attraverso uno o più stadi di tipo assiale. ;Nell’ambito della presente invenzione si fa riferimento, come à ̈ consuetudine frequente nel campo delle turbine, ad un sistema di coordinate assialsimmetriche in cui un generico piano su cui giaccia l'asse di rotazione dell’albero della turbina à ̈ chiamato piano meridiano. La direzione ortogonale all'asse della macchina e giacente nel piano meridiano considerato à ̈ definita direzione radiale. Con l’espressione direzione tangenziale in un punto di un piano meridiano si identifica la direzione, ortogonale al piano meridiano e ortogonale alla direzione radiale passante per il punto. Una direzione parallela all'asse della macchina à ̈ definita direzione assiale. ;Più in dettaglio, uno stadio assiale comprende una schiera di pale statoriche e una corrispondente schiera di pale rotoriche, rispettivamente a monte e a valle rispetto alla direzione del flusso di massa; a sua volta il flusso avviene in prevalenza grazie alla componente assiale della velocità in seno al flusso. ;Uno stadio radiale comprende una schiera di pale statoriche e una corrispondente schiera di pale rotoriche, rispettivamente a monte e a valle rispetto alla direzione del flusso di massa; a sua volta il flusso avviene in prevalenza grazie alla componente radiale della velocità in seno al flusso. ;Realizzando una prima espansione con stadi radiali e una seconda espansione con stadi assiali si ottengono ottimi risultati in termini di rendimento a parità di altre condizioni, senza dover necessariamente disporre di due turbine ma, al contrario, utilizzando una singola turbina radiale-assiale. ;In particolare, il metodo consente di evitare l’utilizzo di una turbina assiale di alta pressione e una turbina assiale di bassa pressione. La prima espansione di alta pressione avviene radialmente, in corrispondenti stadi radiali della turbina, e la seconda espansione di bassa pressione avviene assialmente, in corrispondenti stadi assiali della stessa turbina. ;Chiaramente il metodo prevede che tra le due espansioni il fluido venga deviato dalla direzione di espansione radiale iniziale alla direzione di espansione assiale finale. ;Le pale angolari sono pale statoriche o, in alternativa, rotoriche. ;Le fasi a)-c) sono attuate in una singola turbina radiale – assiale. Preferibilmente la fase a) à ̈ attuata guidando il fluido di lavoro attraverso almeno una schiera di pale statoriche e una corrispondente schiera di pale rotoriche disposte alternate le une alle altre in direzione radiale. La fase c) à ̈ attuata guidando il fluido di lavoro attraverso almeno una schiera di pale statoriche e una corrispondente schiera di pale rotoriche disposte alternate le une alle altre in direzione assiale. La fase b) à ̈ attuata guidando il fluido attraverso una schiera di pale statoriche o rotoriche, definite pale angolari, seguita o preceduta, rispettivamente, dalla corrispondente schiera di pale rotoriche o statoriche. ;Attuando il metodo descritto sopra si espande il vapore di fluido di lavoro in una singola turbina e pertanto si evita l’installazione di due turbine in cascata o l’adozione di una turbina assiale con un elevato numero di stadi (ad esempio più di tre), con evidenti vantaggi tecnici ed economici. ;In una forma di attuazione del metodo, le pale angolari della turbina sono pale statoriche; il flusso di vapore in espansione à ̈ deviato in direzione assiale e in direzione tangenziale, ovvero nella schiera di pale angolari e per un osservatore solidale con queste si minimizza la componente radiale del vettore velocità del flusso del fluido di lavoro e si massimizzano la componente assiale e la componente tangenziale dello stesso vettore velocità . ;In una forma di realizzazione alternativa del metodo, le pale angolari sono pale rotoriche e tra le fasi b) e c) à ̈ attuata un’ulteriore fase d) di inversione del verso della direzione di espansione del vapore a valle della schiera di pale angolari. In altri termini il fluido che attraversa la schiera di pale angolari rotoriche viene deviato in direzione sostanzialmente assiale, ma in controcorrente rispetto alla direzione di attraversamento degli stadi assiali della turbina. Più in dettaglio, la schiera di pale angolari rotoriche interviene sul flusso del fluido di lavoro minimizzando o annullando la componente radiale del relativo vettore velocità e aumentando la componente assiale e la componente tangenziale dello stesso vettore velocità nel moto relativo, ovvero per un osservatore solidale alle pale angolari. Nel moto assoluto, ovvero per un osservatore stazionario, il vettore velocità del fluido di lavoro in uscita dalla schiera di pale angolari à ̈ sostanzialmente assiale, ovvero la componente tangenziale del vettore velocità nel moto assoluto à ̈ nulla o quasi in quanto compensata dalla velocità tangenziale delle pale angolari stesse (indicata per consuetudine anche con il termine velocità di trascinamento). ;Pertanto il fluido a valle delle pale angolari rotoriche viene ulteriormente deviato di circa 180° per essere indirizzato correttamente verso gli stadi assiali e verso l’uscita della turbina. L’inversione à ̈ preferibilmente ottenuta dotando la turbina di un condotto sostanzialmente toroidale che unisce la sezione di uscita delle pale angolari con la sezione di ingresso della schiera di pale statoriche immediatamente a valle; in sezione assiale il condotto si estende secondo una curva ad U. ;In un suo secondo aspetto la presente invenzione concerne una turbina secondo la rivendicazione 6 per l’espansione di un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine. ;In particolare la turbina comprende schiere di pale statoriche e schiere di pale rotoriche, a queste alternate, e un albero di supporto delle pale rotoriche, girevole sul relativo asse di rotazione. In una prima sezione della turbina le schiere di pale statoriche e le schiere di pale rotoriche si alternano in direzione sostanzialmente radiale; in una seconda sezione della turbina le schiere di pale statoriche e le schiere di pale rotoriche si alternano in direzione sostanzialmente assiale. Tra la prima e la seconda sezione della turbina à ̈ presente almeno una schiera di pale statoriche o rotoriche, definite sopra pale angolari, configurate per deviare il fluido di lavoro da una direzione di espansione sostanzialmente radiale nel moto assoluto ad una direzione di espansione assiale nel moto assoluto, e tangenziale, nel moto assoluto o nel moto relativo a seconda che le pale angolari siano rispettivamente statoriche o rotoriche. In altre parole le pale angolari sono configurate per minimizzare o annullare, per un osservatore stazionario, la componente radiale del vettore velocità del flusso di fluido di lavoro in ingresso nella schiera, e aumentare per un osservatore stazionario, la componente assiale del vettore velocità del fluido in uscita dalla schiera e aumentare, per un osservatore solidale alle pale angolari, anche la componente tangenziale del vettore velocità del fluido in uscita dalla schiera. ;Preferibilmente il bordo di ingresso delle pale angolari si estende in direzione sostanzialmente assiale, cioà ̈ sostanzialmente parallelo all’asse dell’albero della turbina, e il relativo bordo di uscita si estende in direzione sostanzialmente radiale, cioà ̈ sostanzialmente ortogonale all’asse dell’albero della turbina. ;Preferibilmente le pale angolari si sviluppano in direzione radiale e assiale sostanzialmente secondo una curva. In altri termini la superficie di ciascuna pala angolare forza il flusso di vapore di fluido di lavoro a cambiare direzione di espansione da radiale ad assiale. ;Nella forma di realizzazione preferita le pale angolari si estendono almeno in parte in direzione tangenziale per incrementare la componente tangenziale del vettore velocità del fluido di lavoro. In questo modo à ̈ possibile accelerare il fluido durante la deviazione del flusso, a tutto vantaggio dell’efficienza, grazie alla riduzione dello spessore dello strato limite adiacente le superfici di guida del flusso. ;In una forma di realizzazione la turbina comprende un collettore assiale di ammissione del fluido di lavoro predisposto in linea con l’albero della stessa turbina. In questa circostanza le pale angolari sono pale statoriche. ;La deviazione del flusso di fluido di lavoro causata dalla schiera di pale angolari corrisponde ad una diminuzione dell’entalpia. Il salto entalpico che si verifica nella schiera di pale angolari à ̈ dovuto principalmente ad una diminuzione della pressione del fluido nel canale tra ciascuna delle pale angolari adiacenti, rispetto al valore di pressione a monte della schiera stessa. Corrispondentemente si verifica una quasi totale conversione dell’energia di pressione in energia cinetica, con minime perdite fluidodinamiche. ;In termini quantitativi la schiera di pale angolari può elaborare almeno metà del salto entalpico medio (definito dal rapporto tra il salto entalpico totale ottenuto in turbina e il numero dei suoi stadi) e nella schiera di pale angolari almeno il 10% del salto entalpico disponibile per la schiera stessa viene trasformato in energia cinetica del fluido di lavoro nel moto relativo. ;Preferibilmente in questa forma di realizzazione l’albero à ̈ supportato a sbalzo da cuscinetti previsti attorno all’albero, dalla parte opposta rispetto al collettore d’ammissione. ;In una forma di realizzazione alternativa la turbina comprende una voluta di inversione del flusso. Le pale angolari sono pale rotoriche e tra queste e la schiera di pale statoriche immediatamente a valle la voluta definisce una curva di circa 180°, ovvero definisce il condotto sostanzialmente toroidale descritto sopra. In questo modo si ottiene l’inversione del verso della direzione assiale di espansione del vapore di fluido di lavoro. ;In quest’ultima forma di realizzazione descritta preferibilmente la sezione del passaggio o condotto che si estende tra le pale angolari e detta curva à ̈ almeno in parte crescente per ottenere un rallentamento del fluido di lavoro prima dell’inversione della relativa direzione di espansione. A valle di, o lungo la, detta curva la voluta può essere dotata di almeno una luce di adduzione e/o spillamento del fluido di lavoro. Un collettore di ammissione del fluido di lavoro può essere predisposto radialmente rispetto all’albero, prossimo ai relativi cuscinetti di supporto. ;In generale almeno una schiera di pale rotoriche della turbina à ̈ preferibilmente montata su dischi di supporto accoppiati a corrispondenti flange dell’albero con una dentatura Hirth. Questo tipo di accoppiamento ha un effetto autocentrante dei dischi di supporto rispetto all’albero. ;Per evitare che l'albero che porta i dischi di supporto subisca gli indesiderati effetti di spinte assiali, la turbina à ̈ provvista di camere, definite da corrispondenti volumi interni della turbina, grazie alle quali si determina un bilanciamento delle pressioni agenti sulle due facce dei dischi stessi. ;In particolare le camere sono previste a monte e a valle di ciascun disco di supporto. Con particolare riferimento al primo disco di supporto, le camere previste da una stessa parte rispetto a tale disco sono isolate tra loro, ad esempio per mezzo di labirinti; le camere separate assialmente dal primo disco di supporto comunicano attraverso uno o più fori passante praticati attraverso il disco stesso. In aggiunta, almeno una camera prevista a valle del primo disco di supporto comunica con gli stadi di alta pressione della turbina previsti a monte del primo disco. ;Breve Descrizione dei Disegni ;Ulteriori dettagli dell’invenzione risulteranno comunque evidenti dal seguito della descrizione fatta con riferimento alle figure allegate, in cui: ;- la figura 1 à ̈ una vista in sezione parziale di una prima forma di realizzazione della turbina secondo la presente invenzione; ;- la figura 2 à ̈ una vista in sezione parziale di una seconda forma di realizzazione della turbina secondo la presente invenzione; ;- la figura 3 à ̈ una vista in sezione parziale di una terza forma di realizzazione della turbina secondo la presente invenzione. ;Descrizione Dettagliata dell’Invenzione ;La figura 1 à ̈ una vista parziale, in sezione assialsimmetrica, di una turbina 1 secondo la presente invenzione per l’espansione di un fluido di lavoro organico. ;Preferibilmente il fluido di lavoro appartiene alla classe degli idrocarburi, più preferibilmente gli idrocarburi ciclici. Ad esempio, il fluido di lavoro à ̈ ciclopentano. ;La turbina comprende un albero 2 che si estende in direzione assiale X, un involucro esterno 3, o voluta, e una pluralità di schiere di pale statoriche S1- Sne rotoriche R1- Rnalternate le une alle altre, ovvero disposte secondo lo schema S1– R1; S2– R2; Sn– Rn, ecc.. ;In particolare la turbina 1 à ̈ concettualmente divisa in una prima sezione A e in una successiva sezione B secondo la direzione di espansione del vapore di fluido di lavoro. Nella prima sezione A, definita di alta pressione, à ̈ prevista una prima espansione del fluido di lavoro in una direzione sostanzialmente radiale, ovvero ortogonale all’asse X; nella seconda sezione B, definita di bassa pressione, à ̈ prevista una seconda espansione del fluido di lavoro in una direzione sostanzialmente assiale, ovvero parallela all’asse X. ;Tra le due sezioni A e B della turbina à ̈ prevista almeno una schiera di pale angolari statoriche AR che hanno la funzione di deviare il flusso del fluido di lavoro dall’iniziale direzione radiale di espansione in direzione assiale e anche in direzione tangenziale (direzione ortogonale al foglio osservando la figura 1). ;In particolare la turbina 1 mostrata in figura 1 comprende tre stadi disposti radialmente S1– R1; S2– R2; ;S3– R3a monte della schiera di pale angolari AR e uno o più stadi disposti assialmente R4– S4; R5– S5(non mostrata),a valle della schiera di pale angolari AR. In generale il numero di stadi a monte e a valle delle pale angolari AR può essere diverso. ;Le pale statoriche angolari AR sono vincolate alla voluta 3 e come mostrato in figura si estendono secondo un percorso curvilineo (visto in sezione assiale). Il bordo di ingresso ARidelle pale AR si estende preferibilmente in direzione assiale e il bordo d’uscita ARosi estende preferibilmente in direzione radiale; pertanto ciascuna pala AR si estende lungo un percorso curvo con un andamento del canale fluidodinamico tale da ridurre o annullare (rispetto ai valori a monte delle pale stesse) la componente radiale media del flusso del fluido di lavoro e generare le componenti assiale e tangenziale. ;Preferibilmente le pale statoriche AR si estendono, quando osservate da un osservatore posto sull’asse di rotazione X, con un primo tratto sostanzialmente radiale tra una base e una porzione periferica in corrispondenza della quale le pale curvano circonferenzialmente o tangenzialmente, e successivamente presentano un canale interpalare deviato progressivamente in direzione assiale e tangenziale. ;Alcune pale rotoriche Rne preferibilmente tutte, sono supportate da dischi di supporto 8 vincolati all’albero 2 della turbina 1 per mezzo di una dentatura Hirth indicata con il numero di riferimento 10 (in sezione parziale). In particolare, i dischi di supporto 8 sono accoppiati ad una flangia 9 dell’albero, come mostrato in figura. La dentatura Hirth consente ai dischi 8 di “galleggiare†in direzione radiale, autocentrandosi rispetto all’asse X. ;Tiranti in acciaio (non mostrati) spingono i dischi di supporto 8 assialmente contro la corrispondente flangia di accoppiamento dell’albero 2. ;L’albero 2 à ̈ supportato da cuscinetti (mostrati insieme a una tenuta fluidica) in corrispondenza delle relative estremità , oppure à ̈ preferibilmente supportato a sbalzo, con i cuscinetti disposti dalla stessa parte dei dischi di supporto 8. ;La voluta 3 à ̈ provvista di uno o più collettori 7 di adduzione del vapore di fluido di lavoro da espandere. ;Il percorso compiuto dal vapore durante la relativa espansione à ̈ indicato dalle frecce. ;La figura 2 mostra una forma di realizzazione alternativa della turbina 1, nella quale le pale angolari AR sono pale rotoriche, supportate da un disco 8. I numeri di riferimento uguali a quelli indicati in figura 1 identificano elementi identici o equivalenti. ;A differenza della soluzione precedente, il flusso di vapore del fluido di lavoro viene deviato dalla schiera di pale angolari AR in direzione assiale, ma controcorrente rispetto all’estensione assiale della turbina 1, ovvero viene deviato verso la parte dove à ̈ prevista l’ammissione del fluido in turbina 1. Per questo motivo la voluta 3 definisce un condotto toroidale 4 che curva a formare una U per invertire la direzione di avanzamento del flusso, così da indirizzarlo verso gli stadi B di bassa pressione. ;Preferibilmente, a valle della schiera di pale angolari rotoriche AR la sezione del condotto 4 à ̈ crescente per causare un rallentamento del flusso prima dell’inversione della sua direzione di avanzamento. Tra la schiera di pale AR e la sezione B di bassa pressione possono essere presenti una o più luci 5 di adduzione o spillamento. ;Anche in questa seconda forma di realizzazione le pale angolari AR preferibilmente incrementano la componente tangenziale del vettore velocità del flusso di vapore rispetto al valore a monte delle pale angolari AR stesse. ;La figura 3 mostra una terza forma di realizzazione della turbina 1. Le pale angolari AR sono statoriche e supportate dalla voluta 3. A differenza della prima forma di realizzazione, l’albero 3 à ̈ supportato a sbalzo su corrispondenti cuscinetti previsti dalla stessa parte della voluta 3, ed in particolare dalla stessa parte della voluta di scarico della voluta 3. ;In questa forma di realizzazione l’adduzione del vapore da espandere à ̈ realizzata direttamente in direzione frontale, come mostrato in figura, per mezzo di un collettore assiale 6 montato in linea e coassiale rispetto all’albero 2. Anche nella prima forma di realizzazione con l’albero 2 montato a sbalzo à ̈ possibile adottare il collettore assiale 6. ;Anche nella seconda e terza forma di realizzazione il numero di stadi statorici e rotorici può essere diverso da quanto mostrato nelle figure. ;Con riferimento alle figure 1-3, la turbina 1 comprende le camere C1, C2, C3, C4, ciascuna delimitante un volume interno della turbina caratterizzato da un relativo valore di pressione. Le camere C1, C2, C3, C4 sono configurate per ottenere una compensazione delle spinte assiali che agiscono sui dischi di supporto 8 in virtù delle differenze di pressione tra le diverse sezioni A-B della turbina 1. ;Con particolare riferimento alla figura 1, il labirinto L mantiene la camera C3 sostanzialmente separata dalla sezione A di alta pressione. Per evitare che la pressione del fluido di lavoro in transito nella sezione di alta pressione spinga il primo disco 8 di supporto verso la camera C1 (verso destra guardando la figura 1), quest’ultima à ̈ posta in comunicazione proprio con la sezione A di alta pressione per mezzo di uno o più fori passanti che si aprono tra le schiere S1e R1attraversando il primo disco 8, oppure in altra posizione nella sezione A stessa. ;Analogamente le camere C2e C4sono in comunicazione tra loro e con la sezione di scarico della turbina attraverso un condotto che si estende attraverso il secondo disco 8 di supporto; tra la camera C1e C2à ̈ previsto un labirinto di separazione. ;Con la configurazione descritta, la pressione della camera C1à ̈ pari o prossima alla pressione del fluido nel punto della sezione A di alta pressione prescelto e la pressione nella camere C2, C3e C4à ̈ equalizzata alla pressione di scarico della turbina 1. ;La turbina 1 mostrata in una qualsiasi delle figure 1-3 consente di attuare il metodo secondo la presente invenzione, come descritto in precedenza. ;Vantaggiosamente la turbina 1 consente di ottenere un elevato salto entalpico e un grande rapporto di espansione in un ciclo Rankine con fluido organico. *