Appunti di Sistemi energetici - Parte 1

Sistemi energetici

I combustibili

Ossigeno nelle combustioni

Analizziamo le reazioni di combustione, i tipi di combustibili, e come utilizzarli. Università di Bologna

L'ossigeno nelle combustioni è necessario per completare la reazione di ossidazione. In natura, le combustioni in ossigeno puro sono estremamente rare, infatti l'aria è composta per il 23% da ossigeno.

Rendimento di una combustione

Il rendimento di una combustione è legato alla quantità di energia prodotta rispetto all'energia totale disponibile nel combustibile. Dipende dall'aria in eccesso e dal tipo di combustibile utilizzato. Il rendimento ottimale si ottiene con la quantità d'aria necessaria.

Potere calorifico dei combustibili

Il potere calorifico è la quantità di calore rilasciata durante la combustione di un combustibile. Facciamo qualche esempio: 1 kg di Cabbiano ha un potere calorifico di 33800 kJ/kg, mentre 1 kg di CH ha 121000 kJ/kg. Il potere calorifico dipende dalla composizione chimica del combustibile.

Turbogas

Schema

Il turbogas è una macchina rotativa endotermica in cui avviene la combustione del fluido. Gli elementi principali sono il compressore, la camera di combustione e la turbina.

Ciclo Brayton semplice con rendimenti

Nel ciclo Brayton, consideriamo trasformazioni ideali: compressione isentropica nel compressore, combustione isobara nella camera di combustione, ed espansione isentropica nella turbina. L'aria compressa viene riscaldata in camera di combustione generando una spinta nei gas in uscita dalla turbina.

Ciclo Brayton reale con rendimenti

Il ciclo reale considera le inefficienze nelle trasformazioni, con perdite di pressione e rendimento del compressore e della turbina inferiori al 100%.

Studio del compressore

Il compressore è una macchina operatrice che comprime l'aria aumentandone la pressione. Il lavoro del compressore è positivo e adiabatico, quindi energia viene trasferita al fluido.

Studio della turbina

La turbina espande i gas caldi, producendo lavoro utile. Il rendimento della turbina dipende dalla differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita del fluido.

Studio della camera di combustione

La camera di combustione è dove avviene la combustione del combustibile, aumentando la temperatura dell'aria per generare energia.

Calcolo della potenza elettrica

La potenza elettrica generata è calcolata in base al lavoro utile prodotto dalla turbina meno quello consumato dal compressore.

Inefficienze dei turbogas

Le inefficienze includono perdite di calore, attrito meccanico, e perdite di pressione nella camera di combustione.

Gruppi a vapore

Schema semplice

Il ciclo Rankine è il ciclo base per i gruppi a vapore, con trasformazioni isobare e isentropiche per convertire il calore in lavoro meccanico.

Ciclo Rankine

Il ciclo Rankine utilizza una caldaia, turbina, condensatore e pompa per trasformare il calore da una sorgente termica in lavoro meccanico.

Degassatore

Il degassatore rimuove i gas disciolti nell'acqua di alimentazione per prevenire corrosione e migliorare l'efficienza del ciclo.

Ciclo Hirn con surriscaldatore

Il ciclo Hirn utilizza un surriscaldatore per aumentare la temperatura del vapore a monte della turbina, migliorando l'efficienza termica.

Ciclo a uno spillamento

Nel ciclo a uno spillamento, parte del vapore è estratto per alimentare processi secondari, migliorando l'efficienza complessiva.

Grado di rigenerazione e scelta della pressione di vaporizzazione

Il grado di rigenerazione ottimizza il ciclo utilizzando il calore recuperato dai gas di scarico per ridurre il consumo di combustibile.

Ciclo con risurriscaldatore

Il risurriscaldatore aumenta la temperatura del vapore espanso parzialmente, migliorando l'output termico della turbina e riducendo la condensa.

Scelta della pressione di risurriscaldamento

La pressione di risurriscaldamento è scelta in base al massimo rendimento e al design del ciclo, ottimizzando la performance della turbina.

Ciclo a tre spillamenti

Il ciclo a tre spillamenti massimizza l'uso del calore attraverso estrazioni successive del vapore, ottimizzando l'efficienza del sistema.

Bilanci energetici

I bilanci energetici analizzano l'energia in ingresso e uscita per ottimizzare il ciclo e minimizzare perdite energetiche.

Analisi del rendimento termodinamico, della caldaia e totale

Il rendimento termodinamico è valutato considerando le perdite nella caldaia e nel ciclo complessivo, ottimizzando l'efficienza e riducendo il consumo di risorse.

Scambiatori di calore

Analisi dello scambio termico

Lo scambio termico analizza il trasferimento di calore tra fluidi, ottimizzando il design degli scambiatori per massimizzare l'efficienza.

Scambiatore unidirezionale

Lo scambiatore unidirezionale facilita il trasferimento di calore in un'unica direzione, migliorando l'efficienza termica del sistema.

Calcolo della potenza termica con il salto medio logaritmico

Il calcolo della potenza termica utilizza il salto medio logaritmico per determinare il trasferimento di calore in condizioni stazionarie.

Diagramma di scambio termico nei vari casi

Il diagramma di scambio termico rappresenta il trasferimento di calore tra fluidi, aiutando a visualizzare e ottimizzare il processo.

Scambio termico in un condensatore

Il condensatore rimuove il calore dai gas esausti, condensandoli in forma liquida per un efficiente riutilizzo nel ciclo.

Cicli combinati gas e vapore

Schema generale

Il ciclo combinato gas e vapore utilizza il calore esausto dei turbogas per alimentare i gruppi a vapore, massimizzando l'efficienza complessiva.

Diagramma di scambio termico caldo-freddo

Il diagramma di scambio termico caldo-freddo visualizza i flussi di calore nel ciclo combinato, ottimizzando la distribuzione termica.

Scelta turbogas

La scelta del turbogas è basata su efficienza, costi e compatibilità con il ciclo a vapore per ottimizzare la produzione energetica.

Scelta gruppo vapore

La scelta del gruppo a vapore considera l'efficienza termica, l'integrazione con il turbogas e i requisiti di produzione di energia.

Post combustione

La post combustione aumenta l'efficienza del ciclo combinato, utilizzando il calore dei gas di scarico per generare ulteriore energia.

Analisi dello spillamento

L'analisi dello spillamento considera l'estrazione del vapore per processi esterni, ottimizzando l'efficienza del ciclo energetico.

Ciclo combinato a due livelli di pressione

Il ciclo combinato a due livelli di pressione migliora l'efficienza utilizzando due livelli di pressione per massimizzare il recupero di calore.

Analisi dei costi

L'analisi dei costi comprende l'investimento iniziale, i costi operativi e i risparmi energetici per valutare la fattibilità economica del ciclo combinato.

Generatori di vapore

Caldaia a recupero

La caldaia a recupero utilizza il calore residuo dei gas di scarico per generare vapore, migliorando l'efficienza energetica complessiva.

Grado di vapore

Il grado di vapore è una misura dell'efficienza della conversione del calore in vapore, influenzando il rendimento del ciclo.

Caldaia a combustione

La caldaia a combustione genera vapore bruciando combustibili, trasformando l'energia chimica in calore per il ciclo.

Diagramma di scambio termico

Il diagramma di scambio termico visualizza il trasferimento di calore nella caldaia, ottimizzando il design per migliorare l'efficienza.

Analisi dei tubi vaporizzatori

L'analisi dei tubi vaporizzatori valuta l'efficienza del trasferimento di calore e la resistenza alla corrosione, migliorando la durata della caldaia.

Carico termico

Il carico termico è la quantità di calore richiesta per generare vapore, influenzando il dimensionamento della caldaia e l'efficienza del ciclo.

Circolazione naturale

La circolazione naturale utilizza la differenza di densità per far circolare il fluido senza pompe, migliorando l'affidabilità e riducendo i costi operativi.

Circolazione forzata

La circolazione forzata impiega pompe per migliorare il trasferimento di calore e la distribuzione del fluido nella caldaia.

Caldaia ad irraggiamento

La caldaia ad irraggiamento utilizza la radiazione termica per riscaldare il fluido, ottimizzando il trasferimento di calore e l'efficienza.