Studio sperimentale e numerico di un raffreddatore di CO₂ supercritico: Un contributo di DESOLINATION Premiato alla 6a Conferenza Europea sCO₂

Studio sperimentale e numerico di un raffreddatore di CO₂ supercritico: Un contributo di DESOLINATION Premiato alla 6a Conferenza Europea sCO₂

da | 14 maggio 2025 | Article, Publications

Nell'ambito del progetto Horizon 2020 DESOLINATION, un nuovo studio intitolato “Studio sperimentale e numerico del raffreddatore di CO₂ supercritica” è stato presentato alla 6ª Conferenza europea sulla CO₂ supercritica (sCO₂) per i sistemi energetici, tenutasi dal 9 all'11 aprile 2025 a Delft, Paesi Bassi.

La ricerca, guidata da Università LUT in collaborazione con TEMISTH, ha ricevuto il Premio per il miglior elaborato alla conferenza in riconoscimento della sua qualità e rilevanza scientifica.

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Studio delle prestazioni di PCHE in cicli di alimentazione con CO₂ supercritica

Lo studio si concentra sulla prestazioni termoidrauliche di un scambiatore di calore a circuito stampato (PCHE) operando con biossido di carbonio supercritico (sCO₂) - un fluido di lavoro al centro dell'innovativo blocco di potenza di DESOLINATION. I PCHE sono una soluzione compatta e ad alta efficienza adatta alle condizioni estreme dei sistemi energetici basati su sCO₂, come quelli integrati nelle tecnologie di energia solare a concentrazione (CSP) e di desalinizzazione.

Utilizzando una combinazione di test sperimentali and fluidodinamica computazionale (CFD), Il team ha valutato il trasferimento di calore e le caratteristiche di caduta di pressione di sCO₂ che scorre attraverso microcanali PCHE. Lo studio si è concentrato sulla regione pseudo-critica, dove la CO₂ presenta rapide variazioni di proprietà che migliorano il trasferimento di calore ma complicano la modellazione predittiva.

Sostenere gli obiettivi di DESOLINATION

Questo lavoro contribuisce direttamente all'obiettivo di DESOLINATION di sviluppare una sistema di desalinizzazione efficiente e alimentato a energia solare migliorando la previsione delle prestazioni e la progettazione dei componenti chiave del ciclo di alimentazione sCO₂. In particolare, fornisce strumenti convalidati e approfondimenti essenziali per l'integrazione di scambiatori di calore ad alta efficienza nel futuro impianto dimostrativo del progetto.

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Authors: Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier e Amir Momeni Dolatabadi.

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Risultati chiave
  • Dati sperimentali sono stati raccolti in un'ampia gamma di condizioni operative presso l'impianto di prova di CO₂ transcritica dell'Università LUT, fornendo un prezioso punto di riferimento per la convalida dei modelli numerici.
  • The Simulazioni CFD, che incorpora il comportamento dei gas reali e il modello di turbolenza SST k-ω, ha mostrato un buon accordo con le perdite di carico e le temperature di uscita misurate.
  • A nuova correlazione del fattore di attrito è stata ricavata dai risultati sperimentali. Il metodo tiene conto della rugosità della superficie e ha raggiunto un'accuratezza di previsione entro ±10% rispetto ai valori misurati: un importante progresso rispetto alle correlazioni esistenti.
  • Lo studio ha anche rivelato che correlazioni di trasferimento di calore comunemente utilizzate tendono a sottovalutare le prestazioni in flussi di microcanali ad alto numero di Reynolds e sCO₂, sottolineando la necessità di modelli predittivi più personalizzati.
Riconoscimento della conferenza

La 6a Conferenza Europea sCO₂ ha riunito oltre 100 esperti del mondo accademico e industriale per discutere le ultime innovazioni della tecnologia sCO₂. Oltre alle sessioni tecniche, il tema della DESOLINIZZAZIONE è stato messo in risalto anche durante il Conferenza di venerdì mattina del dott. Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), che ha presentato gli obiettivi generali del progetto e i suoi progressi fino ad oggi.

🏆 Il giornale ha ricevuto il Premio per il miglior elaborato alla conferenza, riconoscendo la qualità e la rilevanza della ricerca per la comunità internazionale di ricerca e ingegneria sCO₂. Questo riconoscimento evidenzia il contributo di DESOLINATION all'avanzamento della comprensione a livello di componenti, fondamentale per lo sviluppo di sistemi integrati di desalinizzazione a energia solare.

🔬 Il consorzio DESOLINATION si congratula con gli autori -. Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier e Amir Momeni Dolatabadi - per questo meritato riconoscimento e per il loro prezioso contributo al futuro dei sistemi energetici e idrici sostenibili.

Ottimizzazione della progettazione simultanea di cicli di potenza basati su miscele binarie di co2 per applicazioni di energia solare a concentrazione

Ottimizzazione della progettazione simultanea di cicli di potenza basati su miscele binarie di co2 per applicazioni di energia solare a concentrazione

da | 11 settembre 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Nella spinta verso un'energia più pulita ed efficiente, i sistemi di energia solare a concentrazione (CSP) sono emersi come un promettente concorrente. Ma il loro potenziale è stato limitato dalla necessità di soluzioni innovative ed economiche per convertire il calore solare in elettricità.

Siamo entusiasti di annunciare una pubblicazione innovativa di Università di Teesside, uno dei nostri partner, ha presentato all'ASME (Società Americana degli Ingegneri Meccanici) Turbo Expo 2024 (Conferenza ed esposizione tecnica sulle turbomacchine).

Questo lavoro svela un approccio innovativo all'ottimizzazione dei cicli di potenza per i sistemi CSP, che porta a progressi in termini di efficienza e sostenibilità.

Un recente studio introduce un approccio innovativo per migliorare i cicli di potenza dei sistemi a energia solare concentrata (CSP), una tecnologia chiave nel panorama delle energie rinnovabili. Questa ricerca si concentra sull'ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi che utilizzano miscele a base di CO₂ come fluidi di lavoro, offrendo progressi significativi in termini di efficienza, economicità e adattabilità a varie condizioni operative.

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Tradizionalmente, i sistemi CSP si basano sulla conversione del calore solare in elettricità attraverso cicli di potenza. Questo studio migliora questo processo sviluppando una strategia di ottimizzazione simultanea. Prende in considerazione la progettazione del ciclo di potenza, la selezione degli additivi chimici (droganti) e la composizione specifica dei fluidi di lavoro a base di CO₂. Analizzando insieme questi fattori, i ricercatori mirano a massimizzare l'efficienza del sistema riducendo i costi.

Lo studio testa queste innovazioni in scenari realistici, compresi due intervalli di temperatura operativa: 550°C, tipica degli attuali sistemi CSP, e una più alta di 700°C per progetti avanzati. Inoltre, tiene conto di temperature ambientali di 30°C, 35°C e 40°C, che riflettono i diversi ambienti in cui operano i sistemi CSP.

Una delle scoperte chiave è l'uso di miscele binarie di CO₂ combinate con droganti chimici come il biossido di zolfo (SO₂) o l'acetonitrile (C₂H₃N). Questi additivi migliorano le proprietà termodinamiche del fluido di lavoro, consentendo al sistema di funzionare più efficacemente in condizioni diverse. Il team di ricerca ha impiegato tecniche di modellazione avanzate per valutare queste miscele, garantendo previsioni precise delle loro prestazioni.

L'ottimizzazione in questo contesto si concentra su due obiettivi principali: massimizzare l'efficienza termica (la quantità di energia solare convertita in elettricità) e migliorare il lavoro specifico (l'energia prodotta per unità di fluido di lavoro). Questi miglioramenti riducono le dimensioni e il costo dei componenti del sistema, come i blocchi di potenza e l'accumulo di energia termica (TES), rendendo i sistemi CSP economicamente più vantaggiosi.

Questo approccio innovativo è molto promettente per il futuro delle energie rinnovabili. Affrontando le sfide tecniche e finanziarie, lo studio apre le porte a un ruolo più ampio dei sistemi CSP nella transizione globale verso un'energia più pulita. Con la sua metodologia flessibile, in grado di incorporare nuovi materiali e progetti, questa ricerca getta le basi per continui progressi nella tecnologia dell'energia solare.
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Authors: Balkan Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-124083

Caratterizzazione preliminare dell'impianto dimostrativo del progetto di desolforazione: Progettazione e operatività fuori progetto

Caratterizzazione preliminare dell'impianto dimostrativo del progetto di desolforazione: Progettazione e operatività fuori progetto

da | Set 5, 2024 | Milestones, Publications, Results - Pilot plant preparation

Il progetto DESOLINATION, faro dell'innovazione nel campo delle energie rinnovabili, ha compiuto un importante passo avanti con l'analisi preliminare delle prestazioni del suo impianto dimostrativo.

Recentemente è stato presentato al ASME Turbo Expo 2024, Questo lavoro riunisce le competenze di TEMISth, UNIBS (Università di Brescia), and Politecnico di Milano (POLIMI) per esplorare il potenziale di un nuovo ciclo energetico costruito per la sostenibilità e l'efficienza.

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Cosa rende unico questo impianto dimostrativo?

Questo impianto dimostrativo gestisce un ciclo di potenza transcritico a recupero semplice, un sistema che stabilisce nuovi standard nella conversione dell'energia. Ecco cosa lo distingue:

  • Fluido di lavoro innovativo: Al posto dei fluidi convenzionali, l'impianto utilizza una miscela di CO₂ e SO₂, selezionato per le sue proprietà termodinamiche uniche.
  • Adattato a condizioni difficili: Progettato per prosperare in ambienti con elevata radiazione solare and temperature ambientali elevate, Questo sistema raffreddato ad aria rispecchia le sfide del mondo reale affrontate da Energia solare concentrata (CSP) piante.
Caratteristiche principali del ciclo
  • Potente ma compatto: Il cuore del sistema è una turbina assiale che gestisce una portata di 0,2 m³/s, consentendo di ottenere una potenza di 1,8 MWel.
  • Scambiatori di calore di nuova generazione: Dotato di recuperatori e scambiatori di calore a struttura giroidale, Questi componenti massimizzano il trasferimento termico e riducono al minimo l'uso di materiali.
  • Precisione di modellazione: Le simulazioni avanzate in MATLAB, arricchite dai risultati della fluidodinamica computazionale (CFD), assicurano che il sistema sia ottimizzato per le condizioni di progetto e non.
Quanto è efficiente?

L'efficienza è fondamentale per i sistemi di energia rinnovabile e l'impianto dimostrativo DESOLINATION non delude. Operando in un ambiente modalità di pressione scorrevole, Il ciclo raggiunge efficienze impressionanti, superiori a 30%, anche a carico parziale.

Adattarsi ai cambiamenti di temperatura

Una delle caratteristiche principali di questo sistema è la capacità di gestire condizioni ambientali variabili:

  • A alte temperature ambientali (oltre i 30°C), il ciclo funziona senza problemi, grazie ai ventilatori del condensatore a velocità fissa.
  • A temperature più basse (circa 10°C), la velocità dell'aria può essere regolata per garantire un funzionamento ottimale.
Gestione dell'inventario del sistema

Lo studio approfondisce anche il sistema di tubazioni dell'impianto, rivelando che l'inventario totale dei fluidi è fortemente influenzato dal funzionamento del condensatore. Le regolazioni dello stoccaggio del fluido fino a 300 kg sono necessari per mantenere la stabilità quando si passa da una condizione di temperatura all'altra.

Questa ricerca rappresenta una pietra miliare significativa nella missione del progetto DESOLINATION di sviluppare sistemi di energia rinnovabile non solo efficienti, ma anche adattabili a una varietà di condizioni reali. Colmando il divario tra progettazione innovativa e applicazione pratica, l'impianto dimostrativo rappresenta uno sguardo al futuro della generazione di energia pulita e sostenibile.
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Authors: Ettore Morosini, Marco Astolfi, Michele Doninelli, Paolo Iora, Damien Serret, Jean-Michel Hugo and Giampaolo Manzolini.

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-127246

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

da | Lug 8, 2024 | Publications, Results - Draw solution

The global community acknowledges water demand and accessibility as major challenges impacting human well-being. Forward Osmosis (FO) desalination coupled with concentrate solar power might represent a promising solution to combine water production with renewable sources. This work assesses the performance of a liquid-liquid separator (coalescer), an important component of the FO process, when using a polymeric thermo-responsive draw agent (PAGB2000). Experimental characterization of the coalescer is carried out for different regeneration temperatures (from 50 to 80 °C), residence time, draw concentration (from 0.30 to 0.60) and metal meshes. The separation efficiency of the coalescer can be as high as 95% for high residence time and regeneration temperatures (> 70 °C). Eventually, an analytical expression of the coalescer efficiency as function of the main operating parameters is proposed both to support desalination plant design and to enable understanding its applicability beyond its original context.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117840

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Authors:

Igor Matteo Carraretto, Davide Scapinello, Riccardo Bellini, Riccardo Simonetti, Luca Molinaroli, Luigi Pietro Maria Colombo, Giampaolo Manzolini – Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, Via Lambruschini 4, Milano 20156, Italy

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

da | Giu 21, 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Carbon dioxide binarFIGy mixtures are increasingly considered as working fluids in transcritical power cycles, due to the capability to perform liquid-phase compression even at high environmental temperatures. However, a robust thermodynamic model is essential for optimal and reliable design conditions. It is widely recognized that fine-tuning the equation of state with experimental vapor-liquid equilibrium data of the mixture significantly enhances its reliability.

In this work, a new apparatus dedicated to vapour-liquid equilibrium measurements of mixtures is presented. The proposed method consists of a constant-volume system, where bubble points are identified from the divergence of slope of the isochoric lines between the two-phase and liquid regions, in the temperature-pressure plane. The temperature and pressure limits of the apparatus are 503 K and 25 MPa. Bubble points of CO2 binary mixtures with hexafluorobenzene (C6F6) and n-pentane (C5H12) have been measured and compared with previous literature data for validation purposes. Then, the CO2 mixture with octafluorocyclobutane (c-C4F8) is experimentally studied, addressing a literature gap in bubble point data.

The data are used to calibrate the thermodynamic model, leading to affordable design conditions of the power cycle compared to the non-optimized thermodynamics scenario, in a concentrated solar power tower plant.

 

https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100742

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Authors:

  • M. Doninelli, G. Di Marcoberardino, C.M Invernizzi and P. Iora – Università degli Studi di Brescia, Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Industriale, via Branze, 38, 25123, Brescia, Italy

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

da | Mag 24, 2024 | Publications, Results - Draw solution

Forward osmosis (FO) is a promising technology for efficient water reclamation at low operating costs. It has shown potential in producing fresh water from seawater; however, the regeneration of the diluted draw solution (DS) still holds back further development. Thermo-responsive polymers, especially polyalkylene glycol (PAG) based copolymers with hydrophilic ethylene oxide and hydrophobic propylene oxide units, have shown suitability as DSs in FO using low-temperature waste heat to regenerate the DS. In this study, we explored five commercially available copolymers: Pluronic® PE 6400, Pluronic® L-35, Pluronic® RPE 1740, Unilube® 50 MB-26, and Polycerin® 55GI-2601 as DSs in a laboratory FO setup, with DI water as the feed solution (FS). The water
flux and reverse solute flux varied from 1.5 to 2.0 L⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1 and from 0.04 to 0.4 g⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1, respectively.

Furthermore, all polymer solutions showed the ability to be recovered and reused using temperatures below 100◦C. Therefore, the tested PAGs turned out to be promising as draw solutions for FO systems that utilize low-grade waste heat. The re-usage in FO was shown for regenerated Pluronic® L-35 through a three-step experiment where its recovery was 91.1 %, 93.1 %, and 91.9 % for each FO cycle, respectively.

Keywords: Forward osmosis, Draw solution, Osmotic pressure, Polyalkylene glycols, Lower critical, solution temperature, Reuse of polymer.

Authors: Irena Petrinic, Natalija Jancic, Ross D. Jansen van Vuuren, and Hermina Buksek.

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