Analisi sperimentale di ciclo Brayton inverso e prototipo dimostrativo

Abstract

La presente tesi illustra l'analisi sperimentale di una pompa di calore ad alta temperatura (HTHP) operante secondo un ciclo Brayton-Joule inverso in configurazione aperta. Il processo è stato sviluppato e brevettato dal gruppo TPG dell’Università di Genova con l’obiettivo di studiare tecnologie utili per decarbonizzare la produzione industriale di calore ad alta temperatura. Il prototipo è progettato per fornire calore a un impianto industriale per la produzione di laminati, dove lo scopo è quello di aumentare la temperatura dei gas di scarico di una caldaia al fine di riscaldare acqua pressurizzata fino a 200 °C. L'attività sperimentale è stata condotta presso il banco prova per componenti di sistemi propulsivi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica (DIME), sezione MASET, dell'Università degli Studi di Genova. Il sistema è costituito da turbomacchine di derivazione automotive, comprendenti un turbocompressore Garrett GT1749 (con turbina a geometria variabile, VNT) e un e-compressore. L'e-compressore è formato da un gruppo centrifugo trascinato da un motore elettrico asincrono trifase FAWH 100V 4150, la cui alimentazione e regolazione sono affidate a un inverter MOOG DM2020. Le prove sono state condotte per raccogliere i dati di funzionamento della pompa di calore in ambiente controllato con il fine di validare i risultati dei modelli monodimensionali utilizzati durante le indagini preliminari e caratterizzare le prestazioni del sistema. Durante la campagna di test, sono state analizzate le prestazioni del sistema sia in condizioni di progetto che di off-design, in particolare valutando gli effetti della variazione del grado di apertura dell'ugello della VNT e della temperatura di aspirazione dell’e-compressore. Lo studio conferma la fattibilità tecnica del ciclo Brayton inverso aperto per la decarbonizzazione termica dell'industria, evidenziando inoltre opportunità di sviluppo future.

This thesis presents the experimental analysis of a High-Temperature Heat Pump (HTHP) operating on an open-configuration reversed Brayton-Joule cycle. The process was developed and patented by the TPG group at the University of Genoa with the aim of investigating technologies useful for decarbonizing high-temperature industrial heat production. The prototype is designed to supply heat to an industrial laminating plant, where the objective is to elevate the temperature of boiler exhaust gases in order to heat pressurized water up to 200 °C. The experimental activity was conducted at the propulsion system component test bench of the Department of Mechanical Engineering (DIME), MASET section, at the University of Genoa. The system is built using automotive-derived turbomachinery, including a Garrett GT1749 turbocharger (with a Variable Nozzle Turbine, VNT) and an e-compressor. The e-compressor consists of a centrifugal unit driven by a FAWH 100V 4150 three-phase asynchronous electric motor, powered and regulated by a MOOG DM2020 inverter. Tests were conducted to gather the heat pump's operating data in a controlled environment, aiming to validate the results of the one-dimensional models used during preliminary investigations and to characterize the system's performance. During the test campaign, the system's performance was analyzed under both design and off-design conditions, focusing particularly on evaluating the effects of varying the VNT nozzle opening degree and the e-compressor intake temperature. The study confirms the technical feasibility of the open reversed Brayton cycle for industrial thermal decarbonization, while also highlighting opportunities for future development.