La macchina scroll Caratteristiche peculiari limitato numero di parti mobili assenza di valvole elevata affidabilità manutenzione limitata movimento rotativo rumorosità limitata basso livello di vibrazioni processo continuo Applicazioni principali (COMPRESSORE) coppia costante condizionamento dell’aria accorgimenti per la tenuta refrigerazione elevata efficienza pompaggio gas naturale (anche in macchine piccole) pressurizzazione gas criogenici Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

I compressori commerciali Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Utilizzo come espansore storicamente la produzione di energia elettrica è concentrata in grandi impianti a combustibile fossile o nucleare rendimento medio di conversione del 37%, senza considerare le perdite ohmiche nasce l’esigenza del decentramento produttivo e dello sfruttamento di forme alternative di energia in particolare flussi termici a bassa temperatura (< 350 ÷ 400 °C) e di piccola taglia (qualche kW) caldaie solari pozzi geotermici ad acqua dominante gas di scarico di MCI caldaie a biomassa ciclo Rankine a fluido organico (ORC) scelta di un opportuno espansore Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Scelta dell’espansore differenze significative nel costo unitario delle macchine apparecchiature HVAC: 150 ÷ 200 € / kWe assorbito turbine multi-MW: 1000 ÷ 1200 € / kWe prodotto costi ancora maggiori per le micro-turbine MCI: 400 € / kWe prodotto elevata manutenzione e problemi di emissioni i fluidi organici sono molto simili ai refrigeranti comunemente utilizzati la taglia richiesta per la macchina ricade nello spettro offerto dal mercato dei compressori scroll i compressori scroll hanno una naturale tendenza al funzionamento inverso adozione di opportune contromisure (valvola di non ritorno) Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Disegno degli scroll due evolventi di cerchio che si sviluppano dallo stesso cerchio di base arco di circonferenza nella porzione più interna Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Accoppiamento degli scroll sfasati di 180° e con assi non coincidenti uno scroll è fisso, l’altro è dotato di moto orbitante grazie ad un giunto di Oldham i profili sono in contatto in diversi punti, generando camere a volume variabile i volumi si calcolano considerando l’area sottesa dalle curve Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Andamento dei volumi - compressore (caso particolare: 2 livelli di camere di compressione) Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Processi di aspirazione e mandata sezioni di passaggio definite dagli scroll e dalla valvola di non ritorno calcolo della portata mediante la teoria del flusso isoentropico per un fluido ideale comprimibile attraverso una sezione nota Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Trafilamenti interni Modellizzazione: calcolo delle sezioni di passaggio calcolo della portata mediante la teoria del flusso isoentropico per un fluido ideale comprimibile attraverso una sezione nota Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Scambio termico Ipotesi: proprietà uniformi all’interno di ogni camera distribuzione lineare della temperatura degli scroll coefficiente di scambio termico convettivo ricavato per scambiatori a spirale: Note: è necessario conoscere, istante per istante, l’area di confine di ogni camera numero di Reynolds basato sulla velocità di trascinamento Calcolo del calore totale scambiato da ogni pacchetto di fluido con le spirali e con i piatti di fondo per ogni angolo d’orbita Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Equazioni fondamentali del modello equazione di conservazione dell’energia equazione di conservazione della massa equazione di stato del fluido in esame: nello specifico aria a comportamento ideale Utilizzo di diverse function per il calcolo di: calori specifici (espressione polinomiale di 4° grado, relazione di Mayer) conducibilità termica (espressione polinomiale di 3° grado) viscosità dinamica (legge di Sutherland) Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Prove sperimentali (su compressore scroll commerciale LG) Modello LG AQ028VAA Tipo Compressore scroll ermetico Cilindrata 34,31 cm3 Fluido di lavoro R410a Peso netto 26 kg Ø aspirazione 19,2 mm Ø mandata 12,9 mm Tipo di motore Asincrono trifase a 2 poli V nominale Trifase, 145 V, 60 Hz Pass nominale 3,076 kW Prefr nominale 8,060 kW Campo f alimentazione 30 ÷ 120 Hz Campo V alimentazione 82 ÷ 185 V Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Adattamento del modello al caso espansore andamento dei volumi Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Adattamento del modello al caso espansore andamento delle superfici di scambio termico nuovo ordine di memorizzazione andamento delle sezioni di trafilamento modello di scambio termico analogo al caso compressore modello di leakage modifica più sostanziale, dato che i flussi sono concordi modellizzazione delle fasi di alimentazione e scarico opposte al caso compressore aggiornamento del processo di risoluzione delle equazioni di massa ed energia utilizzo delle stesse function per il calcolo delle proprietà del fluido Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Impostazione dei parametri liberi impostazione di parametri geometrici uguali al caso compressore scelta di aria quale fluido di lavoro impostazione dei giochi sulla base degli andamenti ipotizzati nel caso compressore impostazione di passi angolari e tolleranze uguali al caso compressore valori fissati di: temperatura di alimentazione (120 °C) temperatura media degli scroll (50 °C) pressione di scarico (1 bar) velocità di rotazione (60 Hz) pressione di alimentazione variabile tra 1,5 e 7 bar Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Analisi dei risultati delle simulazioni rendimento volumetrico Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

Andamenti delle grandezze termodinamiche Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

ESPANSORE SCROLL: RISULTATI (1) Rendimento isentropico influenza del rapporto di espansione influenza delle perdite meccaniche influenza dei trafilamenti valore attendibile: 0.65 è accettabile la sottoespansione Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll

ESPANSORE SCROLL: RISULTATI (2) Evoluzione termodinamica del fluido built-in ratio sovraespansione sottoespansione Modello di simulazione ed analisi delle prestazioni di macchine volumetriche di tipo scroll