Discussione: Stirling o ORC

Buongiorno

Potete colmare alcune mie lacune?

Avendo del calore in eccesso da utilizzare (es. motore a gasolio 300CV),
che strada conviene percorrere?
Ovvio l'ORC è forse più facile da reperire.

Non conosco i rendimenti reali dello Stirling
a parità di quantità di calore a disposizione da quale riesco a ricavare maggiore energia?

Grazie

Impossibile a dirsi a priori. Comunque gli ORC hanno rendimenti generalmente bassi. Quelli in giro si aggirano sul 10%. Ed è difficile fare di più per tutta una serie di motivi che sarebbe lungo disquisire.
Lo stirling ha un potenziale molto superiore, ma è anche più difficile da mettere a punto.
L'ORC gira senza patemi d'animo. Lo compri e funziona.
Sullo Stirling devi fare due ragionamenti in più. Ma se trovi la quadra il rendimento è sicuramente più alto

PS: il rendimento di un motore diesel dell'ultima generazione in applicazione stazionaria si aggira come minimo sul 35%. A regime nominale sfiora il 40%.
Teniamoci sul primo valore (sulla scheda tecnica troverai comunque il valore esatto). Se il 35% è lavoro utile vuol dire che il 65% è di scarto. Solitamente questa aliquota si divide in parti pressappoco uguali tra circuito di raffreddamento e gas di scarico. Il che vuol dire il 33% di calore perso rispetto al calore utile. Cioè praticamente l'equivalente della potenza erogata. Ora uno stirling in grado di assorbire l'equivalente termico di 300 CV non è che si trovi dietro l'angolo. Praticamente ce l'ha solo la Kokumus sui suoi sottomarini. E se tieni conto anche qui di un rendimento del 25% (non di più con una Tmax dei gas di scarico a 450-550 °C tipici dei diesel) vuol dire una potenza di uscita di 75 CV. Anche ammesso di trovarlo sul mercato ti costerebbe una fortuna. Niente a che vedere con le poche migliaia di euro del diesel che hai.
Viceversa un ORC da 100 Kw max lo trovi. E già una taglia commerciale.

Originariamente inviata da Stranamore

PS: il rendimento di un motore diesel dell'ultima generazione in applicazione stazionaria si aggira come minimo sul 35%. A regime nominale sfiora il 40%.
Teniamoci sul primo valore (sulla scheda tecnica troverai comunque il valore esatto). Se il 35% è lavoro utile vuol dire che il 65% è di scarto. Solitamente questa aliquota si divide in parti pressappoco uguali tra circuito di raffreddamento e gas di scarico. Il che vuol dire il 33% di calore perso rispetto al calore utile. Cioè praticamente l'equivalente della potenza erogata. Ora uno stirling in grado di assorbire l'equivalente termico di 300 CV non è che si trovi dietro l'angolo. Praticamente ce l'ha solo la Kokumus sui suoi sottomarini. E se tieni conto anche qui di un rendimento del 25% (non di più con una Tmax dei gas di scarico a 450-550 °C tipici dei diesel) vuol dire una potenza di uscita di 75 CV. Anche ammesso di trovarlo sul mercato ti costerebbe una fortuna. Niente a che vedere con le poche migliaia di euro del diesel che hai.
Viceversa un ORC da 100 Kw max lo trovi. E già una taglia commerciale.

Grazie mille, rimaniamo coi piedi per terra, cercherò un ORC

Originariamente inviata da Nuke

Grazie mille, rimaniamo coi piedi per terra, cercherò un ORC

Altre idee?
per trasformare KWt in KWe...

Dipende se hai tempo e voglia di sperimentare o se devi comprare un sistema finito.
Se devi acquistare gli unici prodotti commerciali sono gli ORC (limite inferiore della gamma commerciale) . Qualche stirling si trova ma non in quelle potenze.
Per esempio sarebbe interessante una turbogas a ciclo inverso messa in serie tra il turbocompressore e la marmitta. La macchina rotante si trova resso gli sfasci, ma rimane il problema del collegamento meccanico della potenza.
Una possibile alternativa sarebbe l'applicazione del concetto del camino.
Tipo costruire un alto camino per i fumi in uscita dalla marmitta. Essendo i gas caldi faranno tiraggio aspirando aria dalla base del camino. Se quell'aria deve passare attraverso una tubina ad aria posso generare potenza senza disturbare in nessun modo il motore diesel.
Ma tutte queste cose sono fuori argomento credo della sezione.

urbogas a ciclo inverso messa in serie tra il turbocompressore e la marmitta

Come come? interessante
mi dai maggiori dettagli?

Il ciclo brayton è molto conosciuto nella variante "in pressione", ma pochissimo in quella "in depressione"(da non confondersi con il ciclo brayton inverso che è un ciclo frigoriferfo). Tale variante è nata per sfruttare cascami di calore in fluidi gassosi a bassa pressione. Pur potendo, come tutti i cicli aperti, funzionare anche con combustione interna, ha però la particolarità di poter sfruttare anche calore di scarto.
Funziona secondo il principio della sovraespansione.
Le trasformazioni sono le stesso del ciclo brayton classico ma in sequenza diversa.
E sono:
1) Espansione adiabatica
2) Raffreddamento isobaro
3) Compressione adiabatica
4) Riscaldamento isobaro di chiusura teorico (scarico fluido)

Immaginiamo di avere un gas a 450 °C ma a bassa pressione (1 bar).
Lo faccio passare in una turbina che lo espande fino a 0,2 bar.
Raffreddo il fluido in uno scambiatore fino alla temperatura atmosferica.
Lo comprimo in un compressore da 0,2 a 1 bar e quindi lo scarico in atmosfera.
Il rendimento è lo stesso del ciclo normale in funzione del rapporto di compressione.

Il vero problema, una volta trovato il turbogruppo di recupero, è riuscire ad attaccarci un ingranaggio che tenga i 150 - 200.000 gr/min.

Capito
Quindi userei direttamente i gas di scarico.
Ma ci sono oggetti commerciali adatti a questo?

Ogni turbocompressore, anche preso dallo sfascio potrebbe eservire allo scopo. Rimane il problema dell'ingranaggio di potenza.
Si useresti direttamente i gas di scarico. Passerebbero dalla turbina, poi da uno scambiatore a fascio tubiero di raffreddamento (un gruppo EGR automobilistico farebbe al caso tuo) e poi dal compressore per andare alla marmitta.

Questo ciclo Brayton "in depressione" sembra parecchio interessante, e a dire la verità è la prima volta che ne sento parlare. Mi chiedo però perchè non venga usato, ad esempio, per i gas esausti di un turbogas, onde aumentarne il rendimento.

Per capirci un pò di più mi sono fatto qualche calcoletto e considerazione:

Supponiamo 1 kg/s di gas di scarico a 450°C = 723 K. Rapporto di compressione (e quindi espansione non considerando le perdite pneumatiche) = 5:1
Rendimento isentropico turbina: 0.82 compressore 0.8 gamma = 1.333 cp =1.15 kJ/kgK
T ambiente = 288 K

Espansione: deltaT = 723*(1-5^-0.25)*0.82 = 196.4 K
Lavoro prodotto: 1.15*1*210 = 225.9 kW
Compressione: deltaT= 288*(5^0.25-1)/0.8 = 178.3 K
Lavoro richiesto: 1,15*1*174 = 205 kW

Lavoro netto= 21 kW

Che non è molto ma nemmeno poco considerando la gratuità della fonte. Ovviamente con temperature in ingresso più alte il lavoro aumenterebbe. Mi sorgono però alcuni dubbi "tecnici":

-quanto sia possibile garantire la tenuta stagna dell'ambiente sottovuoto

-allo stesso modo, gli sforzi sulle pareti che devono resistere alla differenza di pressione

-ma soprattutto: i gas di scarico contengono vapore acqueo; raffreddando fino a T ambiente quell'acqua condensa e ce la ritroviamo nel compressore che in poche ore di funzionamento diventerebbe inutilizzabile per l'erosione delle pale. Si potrebbe pensare di eliminare quell'acqua ma sarebbe estremamente complicato. Si potrebbe raffreddare senza arrivare alla t di saturazione (a 0.2 bar è circa 60°C) ma a quel punto il ciclo diventa inefficiente per via del maggior lavoro richiesto dal compressore. Si potrebbe far andare il ciclo ad aria ma servirebbe un grosso scambiatore di calore.

Insomma l'idea teoricamente non è male ma non so quanto sia tecnicamente fattibile. Hai qualche esempio di questo ciclo effettivamente realizzato?

Hai fatto tutte considerazioni giustissime. Complimenti.
Scorri i post del Topic "Motore Brayton a ciclo chiuso" e troverai postato da me una interessante applicazione del concetto.

Sto ancora cercando aziende italiane o non troppo lontane che producano ORC da 10-50Kw...

qualcuno mi sa aiutare?

Credo che sotto i 100 Kw sia difficile trovare qualche cosa in italia.
Forse negli USA ci sono. Avevo visto dei link su altri topic dedicati agli ORC. Scorreteli, giurerei che qualche cosa c'era.

Provate a guardare qui:
Infinity Turbine ® - Organic Rankine Cycle Waste Heat Turbine and Geothermal

hanno anche un sistema da 10 Kw.

Ecco la broshure del loro imianto da 10 Kw. Ci sono anche i prezzi.
Godetevela

Originariamente inviata da Stranamore

Ecco la broshure del loro imianto da 10 Kw. Ci sono anche i prezzi.
Godetevela

Grazie Mille
Ho trovato anche questi :-)
Mi fionderò su di loro

http://www.pro-ambiente.it/pic/RENEX.pdf

Renex Turbine

Se permettono potenze di questa taglia.. con temperature così basse...
<83 lpm @ 90C less 15 C outlet>
Non dovrebbe essere difficile da fare con un impianto solare termico.

mantenere 83 litri/min a 90° partendo da una di 75° a ciclo avviato...
Cioè riscaldare di 15° 83 litri d'acqua in un minuto.

Un impianto a concentrazione solare quanto dovrebbe essere grande?
Se è minore di 80mquadri è già + efficente di un fotovoltaico.

10Kw fotovoltaici sono circa 35.000 euro in 80mquadri
questo ne costa circa 20.000.(senza generatore)

Sbaglio qualcosa?

Da un calcolo di massima:

P = Q x deltaT x CSacqua(75-90°C) = 83/60 l/s * 0.97 kg/l * 15°C * 4200 J/kgC = 84.5 kW

Stimando (in eccesso) 300 W/mq dal solare a concentrazione sono circa 280 mq, senza considerare gli spazi tra i collettori.

Ah

Quindi l'energia che posso raccogliere dal sole con un impianto solare termico è molto inferiore a quella di un fotovoltaico

Il calcolo di Janvaljan è corretto salvo che per l'irradiazione solare.
Comunque agli stessi risultati si poteva arrivare in maniera semlice ragionando all'inverso.
Il sistema rende circa il 12%. Quindi necessita in ingresso di 10/0,12=83,3 Kw. E fin qui i conti tornano perfettamente.
La costante solare del nord italia media annuale è all'incirca 800 w/mq. Stimando un rendimento del collettore medio nell'anno del 70% (collettori sotto vuoto) significa 800 * 0,7 = 560 W/mq.
Da qui 83,3 / 0,56 = 148,7 mq. Superficie effettiva di captazione ovviamente.
E' un valore medio. Ovviamente in inverno questo valore si avvicinerà ai 250 mq mentre in estate verso gli 85 mq.
Però abbiamo utilizzato collettori piani ad orientamento fisso o tutt'alpiù stagionale dal costo accettabile.
Ragionando di concentrazione l'area al suolo cresce mentre la superficie effettiva di specchio necessaria scende. Ma comunque non è che ci si sposti di molto.
Il vero problema dell'ORC è la bassa resa. Inferiore o al più uguale alle fotovoltaiche. Però l'ORC viene in serie al collettore di raccolta che ha un suo rendimento inferiore all'unità. La resa finale come sempre sarà il prodotto dei due rendimenti parziali, laddove le fotovoltaiche hanno solo il loro. E ce ne sono sul mercato che rendono il 15-16%.
Il vero bilancio positivo dell'ORC viene quando considero l'impianto misto.
Mi dimensiono l'impianto per l'utilizzo estivo, e prevedo un bruciatore di pellets per sopperire al difetto di calore invernale. Questo le fotovoltaiche non possono farlo certo.
Così facendo riduco l'investimento iniziale ben al di sotto di quanto richiesto dalle fotovoltaiche e d'inverno mi ci scaldo pure la casa.

Stranamore ho un pò di dubbi suoi tuoi numeri. Cosa intendi per costante solare al nord di 800 w/mq ? Se è la radiazione diretta credo sia un pò eccessivo. La radiazione utile al termodinamico è solo quella diretta che rappresenta più o meno il 60% della totale.

In un lavoro di tesi ho analizzato un possibile impianto nella zona di Brindisi e la radiazione diretta massima era intorno ai 630 W/mq. Considerando il Nord Italia, la varianza annuale e il rendimento dei collettori, direi che i 300 W/mq da me ipotizzati sono perfino troppi

Concordo sull'idea del sistema misto: cogenerazione + sole. Permette di sfruttare l'impianto in ogni stagione ammortizzandone i costi. Il problema è la complessità, difficile costruirselo in proprio, bisognerà aspettare soluzioni dedicate

Allora:
il solare FV ha una sola trasformazione energia solare - energia elettrica con una resa del 15%
Eout = Ein*0,15

il solare Termodinamico+ORC trasforma da energia solare a energia termica resa 70% energia termica in energia meccanica/elettrica 12%
Eout=Ein *0,7 *0,12

credo di aver capito.

per quanto riguarda il sistema combinato pellet/sole è molto interessante ...
Grazie ragazzi

Se avete news su sistemi ORC di piccola taglia fate sapere

Io ho ipotizzato, viste le temperature in ingresso richieste dall'ORC, un impianto a collettori sottovuoto senza concentrazione. Credo di averlo scritto nel post. Questi collettori utilizzano sia la radiazione diretta che la diffusa, come le fotovoltaiche. Ecco che il mio numero si avvicina al tuo.
E ovviamente viene meno anche la necessità della spaziatura tra collettore e collettore in una direzione, mentre nell'altra andranno spaziati per non farsi ombra. Comunque sono partito da un atlante solare. Andando a memoria posso aver sbagliato i dispari ma non credo l'ordine di grandezza.

Originariamente inviata da Stranamore

Io ho ipotizzato, viste le temperature in ingresso richieste dall'ORC, un impianto a collettori sottovuoto senza concentrazione. Credo di averlo scritto nel post. Questi collettori utilizzano sia la radiazione diretta che la diffusa, come le fotovoltaiche. Ecco che il mio numero si avvicina al tuo.
E ovviamente viene meno anche la necessità della spaziatura tra collettore e collettore in una direzione, mentre nell'altra andranno spaziati per non farsi ombra. Comunque sono partito da un atlante solare. Andando a memoria posso aver sbagliato i dispari ma non credo l'ordine di grandezza.

Ok, se è non a concentrazione hai perfettamente ragione. Effettivamente per quelle temperature un impianto CSP sarebbe meramente inutile, mi aveva fuorviato il fatto che Nuke avesse chiesto quale fosse meglio tra un fotovoltaico e uno a concentrazione.

Tornando all' Off Topic di prima (quello sul ciclo Brayton in depressione, magari si potrebbe aprire un topic dedicato), stavo pensando che un altro grosso svantaggio sarebbe la grandezza del compressore (o meglio aspiratore) finale. Visto che la densità è 5 volte minore dell'atmosferica il volume specifico sarà 5 volte maggiore. Quindi ci vuole un compressore con area di ingresso 5 volte maggiore di uno che lavora a pressione ambiente. Se poi lo si vuole far lavorare ad altissimo regime di rotazione, bisognerebbe usare materiali idonei a sopportare il maggiore sforzo centrifugo dovuto alle dimensioni maggiorate. In definitiva non credo che il normale turbogruppo automobilistico sia adatto allo scopo.