Centrali termoelettriche

Nelle centrali termoelettriche l'energia primaria è l'energia posseduta dal combustibile che si trasforma in calore durante la combustione.
Il Potere calorifero è la quantità di calore che si svolge nella combustione completa nell'unità di massa o di volume di un combustibile.
Durante la combustione si genera il calore di vaporizzazione che non viene utilizzato. Esistono due tipi di calore di vaporizzazione:
Superiore: quando viene computato
Inferiore: quando non viene computato e viene usato per riscaldare l'acqua presente nella caldaia.
Il potere calorifero varia in base al tipo di materiale, più è alto più produce calore.
La conversione dell'energia in una centrale termo elettrica avviene nel seguente modo:
Conversione dell'energia chimica del combustibile in energia termica. Essa avviene tramite un generatore di vapore (caldaia).
Trasformazione dell'energia del vapore in energia meccanica di rotazione tramite una turbina.
L'energia meccanica viene trasformata in energia elettrica tramite un alternatore.

Termodinamica generale:

Le variabili che agiscono sullo stato fisico di un gas sono la pressione assoluta,il volume specifico e la temperatura assoluta. Il legame fra queste tre grandezze crea l'equazione di stato che varia in base al fluido preso in considerazione.

Primo principio della termodinamica:

Il lavoro prodotto dall'espazione di un gas è dato da:

ΔL=FΔs=pAΔs=pΔv

Δv indica la variazione del volume specifico (riferito ad 1kg di massa) del gas. Il lavoro totale sarà la somma di tutti i lavori elementari. Il cambiamento di calore genera anche la variazione dell'energia interna (U) del gas che va sommata al lavoro complessivo.
Q=(U1-U2)+L
Questa relazione indica l'equazione del primo principio della termodinamica.
Quando:
Q>0 il sistema esterno sta fornendo calore al gas.
Q<0 il sistema esterno sta cedendo calore al gas.
L>0 quando il lavoro è compiuto dal gas verso l'esterno. Quindi si ha un espansione e un aumento del volume.
L<0 se il sistema esterno compie lavoro sul gas. Quindi si ha un contrazione e una riduzione di volume.
U1 indica l'energia interna nello stato iniziale.
U2 indica l'energia interna nello stato finale.

Trasformazioni termodinamiche:

La trasformazione Isometrica (isocora) avviene a volume costante con il rapporto:
p/T=R/v=costante
Essendo costante il rapporto pressione/temperatura all'aumentare della pressione aumenta anche la temperatura del gas e viceversa. Dato che non vi è variazione di volume il lavoro risulta nullo quindi si avrà:
Q=U2-U1 e quindi il calore somministrato o sottratto al fluido diventa energia interna.
La trasformazione isobara avviene a pressione costante quindi si avrà:
v/T=R/p=costante
quindi se il gas si espande aumentano si v che T e quindi si avrà:
Q=U2-U1+p(v2-v1)

La trasformazione Isoterma avviene a temperatura costante e la sua equazione è:
pv=RT=costante
In questo caso all'aumentare del volume si riduce la pressione e viceversa. Dato che non varia la temperatura non varierà neanche l'energia interna e quindi Q=L

La trasformazione Adiabatica si ha quando non si ha scambio di calore con l'esterno.

Impianti con turbine a vapore:

Nelle centrali con turbine a vapore il fluido compie un ciclo chiuso:

- compressione a volume costante
- riscaldamento isobarico a pressione costante dove il liquido evapora
- espansione adiabatica del vapore
- raffreddamento a pressione costante dove avviene la condensazione del vapore che ritorna allo stato liquido permettendo di ripetere il ciclo.
Il ciclo vapore-acqua è il seguente:
Il combustibile viene bruciato assieme ad una certa quantità di aria comburente tramite il bruciatore della caldaia che genera il calore che genera il calore che permette all'acqua di vaporizzare per poi essere invitata al generatore di vapore. Questo vapore viene poi surriscaldato nel surriscaldatore che sfrutta l'energia termica dei fumi.
Il vapore surriscaldato viene inviato alla turbina dove viene compiuto il lavoro di espansione dove temperatura e pressione diminuiscono. Nel condensatore il vapore viene raffreddato controcorrente dall'acqua di refrigerazione. Successivamente il vapore viene portato ad un disgregatore che ne elimina l'anidride carbonica e l'ossigeno e ora, ormai allo stato liquido, viene rinviato alla caldaia.
Per aumentare il rendimento:
Il generatore di vapore viene fatto funzionare con temperatura e pressioni elevate.
La turbina viene divisa in Alta,media e bassa pressione in modo che ognuna sfrutti al meglio l'energia del vapore.
Il vapore viene rimandato alla caldaia in modo da avere maggior energia
Parte del vapore uscente dalla turbina viene riportato agli scambiatori di calore posti tra il condensatore e il generatore di vapore.
Il calore dei fumi viene usato nei surriscaldatori e per riscaldare l'aria comburente.

Componenti dell'impianto termico:

Caldaia: oggi si usano le caldaie a tubi d'acqua dove l'acqua passa attraverso dei tubi evaporatori preriscaldati. Nel passaggio l'acqua vaporizza e viene inviata al surriscaldatore.
Turbina:Nella turbina avviene la trasformazione da energia termica e di pressione in energia meccanica di rotazione. La turbina è formata da distributore e girante.
Vi sono due tipologie di turbine:

-Turbine a reazione: quando all'uscita del distributore il vapore conserva ancora una parte di energia termica e di pressione. La trasformazione si completa all'interno della girante.
-Turbine ad azione: quando l'energia termica e di pressione del vapore viene trasformata in cinetica dal distributore. Cosicchè nella girante avviene la trasformazione.

Scambiatori di calore, condensatore:

Gli scambiatori permettono di scambiare energia termica fra due fluidi con temperature diverse. I due flussi non verranno mai a contatto perché circolano in condutture separate. Il moto dei fluidi nelle condutture è dato da delle pompe.
Il condensatore è anch'esso uno scambiatore ma ha una duplice funzione: permette lo scarico del vapore dalla turbina in modo da aumentare il rendimento e permette anche di ritrasformare il liquido in vapore.

Impianti con turbine a gas:

Sono impianti di minor potenza di quelli a vapore e funzionano mediante una turbina a gas che viene azionata tramite la combustione di gasolio o gas.
Il compressore viene messo in moto dalla turbina comprime l'aria e la manda nella camera di combustione dove acquista energia termica. I gas si espandono nella turbina facendola ruotare producendo lavoro meccanico che permette di attivare l'alternatore.

Impianto a ciclo combinato:

In questo impianto l'energia viene prodotta da due alternatori: uno messo in moto da una turbina a gas e uno da una turbina a vapore. Il gas di scarico della turbina a gas viene utilizzato per riscaldare l'acqua in un generatore di vapore a recupero per alimentare la turbina a vapore. In questo modo quindi si aumenta anche il rendimento complessivo.