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

Configurazioni tipiche di una turbina Tesla a) [4], b) [5], c) [6], d) [7].

Solo negli ultimi anni, grazie all’interesse per la generazione distribuita di energia, la ricerca sulla turbina di Tesla è rifiorita

di Lorenzo Talluri

(Rinnovabili.it) – 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 [1,2]

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 [3]. 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.

La figura 2 mostra diverse configurazioni tipiche di questa tecnologia.

Figura 2 – Configurazioni tipiche di una turbina Tesla a) [4], b) [5], c) [6], d) [7].

Bibliografia
[1] 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.
[2] 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.
[3] Tesla N., Turbine, U.S. Patent No. 1 061 206, 1913.
[4] Armstrong J.H., An Investigation of the Performance of a Modified Tesla Turbine, M.Sc. Thesis, Georgia Institute of Technology, 1952.
[5] Rice W., “An analytical and experimental investigation of multiple–disk turbines”, in: ASME Journal of Engineering for Power, 87, 29–36, 1965.
[6] 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.
[7] 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.[1]

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