Vecchio progetto per la generazione di energia geotermica
Un nuovo-vecchio espansore per la micro generazione di energia: la turbina Tesla. A differenza delle turbomacchine tradizionali, che sfruttano la differenza di pressione che si produce quando un fluido scorre attorno a una fila di palette, la turbina Tesla genera energia attraverso l’interazione d’attrito tra il fluido in evoluzione e il rotore privo di pale. Solo negli ultimi anni, grazie all’interesse per la generazione distribuita di energia, la ricerca sulla turbina di Tesla è rifiorita Negli ultimi anni, la sostenibilità del settore energetico è diventata il fulcro della ricerca, poiché il riscaldamento globale e l’approvvigionamento energetico sono problemi sempre più pressanti. Il miglioramento dell’utilizzo efficiente dell’energia è quindi diventato uno dei temi più dibattuti per mitigare il cambiamento climatico. Al giorno d’oggi, c’è ancora una grande quantità di calore a bassa temperatura che viene sprecato, rilasciandolo in atmosfera, che potrebbe invece essere recuperato. La maggior parte del calore sprecato proviene da processi industriali o dai gas di scarico dei motori a combustione interna, che hanno caratteristiche molto adatte ad alimentare i cicli Rankine organici (ORC). I sistemi ORC stanno diventando la tecnologia leader per le applicazioni a bassa temperatura e bassa potenza. Da diverse ricerche, è emerso che l’efficienza dell’espansore all’interno di una ciclo ORC è una delle variabili chiave, che influenza profondamente le prestazioni del ciclo. A causa delle numerose applicazioni possibili (recupero calore di scarto, accoppiate ad energie rinnovabili come solare o geotermia, ecc.), nonché dei diversi fluidi di lavoro utilizzabili e delle varie gamme di potenza, non è possibile identificare un espansore ottimale per un ORC. Tuttavia, sono state elaborate delle best practices per ogni applicazione, che mostrano i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnologia di espansione. In generale, le turbine assiali sono predominanti per le applicazioni di grande potenza (>500 kWe), le turbine radiali sono la tecnologia principale per le applicazioni di media potenza (50-500 kW), mentre per i sistemi di piccola e media scala sono presenti diverse tecnologie di espansione (principalmente volumetriche). In generale, gli espansori dinamici (turbine assiali e radiali) non sono adatti per le applicazioni di mini e micro-potenza a causa dei requisiti di velocità di rotazione molto elevata per le gamme di potenza inferiori. La tecnologia più adatta per le applicazioni su micro/mini scala dipende da diversi parametri, come l’architettura del ciclo, le condizioni operative, i vincoli di costo, il fluido di lavoro, la compattezza e le dimensioni; tuttavia, gli espansori mini/micro più utilizzati sono gli espansori volumetrici, come gli espansori scroll, a vite o a pistoni. La figura 1 mostra diverse tecnologie di espansori con l’aggiunta di un nuovo espansore che negli ultimi anni sta suscitando interesse nella comunità dei ricercatori e in particolare nel campo della micro generazione di energia: la turbina Tesla.
Figura 1 – Differenti tecnologie di espansori La turbina Tesla A differenza delle turbomacchine tradizionali, che sfruttano la differenza di pressione che si produce quando un fluido scorre attorno a una fila di palette, la turbina Tesla genera energia attraverso l’interazione d’attrito tra il fluido in evoluzione e il rotore privo di pale. Questo particolare rotore, caratterizzato dall’assenza di pale, è la caratteristica principale della turbina Tesla. Infatti, a differenza delle turbine convenzionali, il rotore è composto da una serie di dischi piatti paralleli, con uno spazio molto ridotto tra loro. L’ingresso del flusso nel rotore avviene attraverso uno o più ugelli, che permettono al fluido di entrare dal raggio esterno dei dischi e di uscire dalle aperture praticate sui dischi al raggio interno. All’interno del rotore, il fluido presenta un percorso centrifugo a spirale, dovuto all’interazione tra le forze viscose e lo scambio di quantità di moto. Il primo concetto di turbina di Tesla fu concepito dall’ingegnere serbo N. Tesla nel 1913 . Nel suo lavoro, che ha dato luogo a un brevetto, ha spiegato chiaramente il principio di funzionamento della macchina, nonché il primo schema del prototipo. Tuttavia, a causa dell’avvento delle turbine a gas e della corsa alle centrali elettriche di grandi dimensioni, unitamente alle scarse prestazioni sperimentali di questo espansore, soprattutto per le applicazioni ad alta potenza, questa tecnologia non trovò alcun impegno commerciale o di ricerca fino al 1950. Solo negli ultimi anni, grazie al rinnovato e crescente interesse per la generazione distribuita di energia, la ricerca sulla turbina di Tesla è rifiorita. Le prospettive sono dunque quelle di poter vedere nei prossimi anni questa tipologia di turbina applicata a diversi sistemi organici, oppure direttamente come recupero di energia da flussi in pressione che attualmente sono dissipati attraverso una valvola. L’obiettivo è quello di arrivare ad un rendimento minimo di espansione del 60%, in modo tale da ottenere un espansore efficiente e al contempo economico (grazie alla sua semplice struttura). Alcune possibili applicazioni di questa turbina sono: utilizzo in un ciclo ORC accoppiato alla geotermia o al solare; utilizzo diretto per il recupero di un flusso di aria compressa; utilizzo come sostituto della valvola di laminazione nei gasdotti o negli impianti di refrigerazione.
Figura 2 – Configurazioni tipiche di una turbina Tesla a) , b) , c) , d) . Bibliografia: Mandal, A., and Saha, S., 2017. Performance analysis of a centimetre scale Tesla turbine for micro-air vehicles, 2017 International conference of Electronics, Communication and Aerospace Technology (ICECA), Coimbatore, 62-67. Lemort V., Legros A., 2016. Positive displacement expanders for Organic Rankine Cycle systems, in: Macchi M. and Astolfi M., Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, Technologies and Applications, 1st Edition, Woodhead Publishing, Elsevier. Tesla N., Turbine, U.S. Patent No. 1 061 206, 1913. Armstrong J.H., An Investigation of the Performance of a Modified Tesla Turbine, M.Sc. Thesis, Georgia Institute of Technology, 1952. Rice W., “An analytical and experimental investigation of multiple–disk turbines”, in: ASME Journal of Engineering for Power, 87, 29–36, 1965. Steidel R., Weiss H., “Performance test of a bladeless turbine for geothermal applications”. Technical Report Report No. UCID–17068, California Univ., Livermore (USA), Lawrence Livermore Lab., 1976. Talluri L., Dumont O., Manfrida G., Lemort V., Fiaschi D., Experimental investigation of an Organic Rankine Cycle Tesla turbine working with R1233zd(E), Applied Thermal Engineering, 174, 2020. Read the full article
