Analisi delle prestazioni di impianti solari termodinamici a ciclo Joule-Brayton

Dopo una attenta analisi dei risultati ottenuti nel primo capitolo, si deduce che i valori del rendimento e del lavoro utile ottenuti, in ogni singolo caso preso in considerazione, sono relativamente bassi; si ha, ad esempio, che il rendimento del ciclo per β=10 e Tin,t=550°C, è circa del 29%. In questo capitolo verranno analizzate le soluzioni che hanno come scopo il miglioramento delle prestazioni del ciclo Joule- Brayton.

Compressione frazionata interrefrigerata
L’Interrefrigerazione (in inglese intercooling) è una particolare tecnica finalizzata a diminuire il lavoro del compressore, fermo restando quello erogato dalla turbina. L’intercooling consiste nel frazionare la compressione: ad una prima compressione segue un raffreddamento isobaro, dopodiché l’aria viene compressa nuovamente. La riduzione del lavoro di compressione non è gratuita, ma è ottenuta a scapito dell’aumento del calore entrante nel ciclo.

Rigenerazione
La Rigenerazione è una tecnica migliorativa che permette di utilizzare l’entalpia del fluido in uscita dalla turbina per preriscaldare l’aria prima di inviarla al campo dei collettori solari, sfruttando il gradiente termico tra l’uscita dalla turbina e l’uscita del compressore. Dunque tale tecnica prevede l’utilizzo di uno scambiatore di calore in controcorrente. L’intercooling aumenta i lavoro utile del ciclo e la rigenerazione ne migliora il rendimento. Inoltre, combinando l’intercooling con la rigenerazione si ottengono risultati migliori, in quanto frazionando la compressione, si aumenta la differenza di temperatura con cui fare la rigenerazione; pertanto le due tecniche vengono spesso utilizzate assieme.

Espansione frazionata ririscaldata
L’espansione frazionata con ririscaldamento (in inglese reheating) è simile all’intercooling; consiste nel frazionare l’espansione: dopo un primo tratto di espansione in turbina l’aria viene riscaldata nuovamente alla temperatura massima del ciclo e successivamente vi è una seconda espansione. Il ririscaldamento incrementa il lavoro di espansione prodotto dalla turbina ma è più complicato da attuare in quanto bisogna riscaldare l’aria più volte e, per motivi costruttivi (l’utilizzo di scambiatori di calore porta a gravi perdite), non viene adoperato spesso. E’ anche complicato valutare l’effetto di suddetta tecnica sul rendimento del ciclo. In questa tesi verrà comunque studiata una soluzione utilizzante l’espansione ririscaldata. Avendo spiegato le possibili tecniche migliorative, si procede, come segue, con l’analisi dei vari impianti:
· Impianto 1: Una interrefrigerazione e rigenerazione
· Impianto 2: Due interrefrigerazioni e rigenerazione
· Impianto 3: Una interrefrigerazione, rigenerazione e un ririscaldamento
· Impianto 4: Due interrefrigerazioni, rigenerazione e un ririscaldamento