Impianti a gas

GLI IMPIANTI A GAS

Un impianto con turbomotori a gas a ciclo aperto è

caratterizzato dai seguenti componenti principali:

• Un compressore

• Una camera di combustione o combustore

• Una turbina a gas

Il compressore aspira una portata d’aria , dall’ambiente a

pressione e la comprime fino alla pressione . La portata

1 2

d’aria viene successivamente inviata nel combustore dove

contemporaneamente viene iniettata una portata di

combustibile. Nel combustore si realizza una combustione

che consente alla portata = + dei gas della

combustione di elevare la propria temperatura da a a pressione pressoché costante. Segue

2 3

l’espansione nella turbina dalla pressione alla pressione = e lo scarico della portata dei

3 4 1

gas nell’ambiente esterno.

I campi applicativi sono:

• Produzione di energia elettrica ed eventualmente anche termica (recupero calore dai gas di

scarico)

• Molto utilizzati anche in ambito aeronautico per la propulsione

VANTAGGI: ingombro ridotto e rapporto peso/potenza molto inferiore rispetto agli impianti a vapore;

sono molto più flessibili degli impianti a valore e hanno anche minori tempi di avviamento.

SVANTAGGI: hanno efficienza relativamente bassa (30-40%) se utilizzati in un ciclo semplice; sono

sensibili alle condizioni ambientali ed in particolare a temperature esterne alte.

L’impianto produce una potenza netta pari alla differenza tra la potenza generata in turbina e quella

assorbita dal compressore: [ ]

= −

La potenza non è trascurabile in quanto, a differenza degli impianti a vapore, dove la compressione

del fluido vettore avviene in fase liquida ad opera di una pompa, negli impianti a gas la compressione

avviene su un fluido comprimibile (aria). Nel combustore si ha una perdita di pressione ∆ = − di

2 3

cui si tiene conto tramite un fattore di perdita:

3

= = 0.96 ÷ 0,98

2

La turbina opera con un rapporto di espansione minore di quello di compressione :

2

=

1

3 3 3 2

= = = =

4 1 2 1

Il ciclo di un impianto a gas è rappresentabile in un diagramma H-s

come un circuito chiuso (ciclo Brayton-Joule). In realtà il ciclo è aperto

perché la trasformazione 4-1 avviene in ambiente esterno e si ha un

completo rinnovo del fluido operativo

La potenza all’albero è data: 1

[ ] )( ( )(

= − = [( + − ) − − ) ]

3 4, 2, 1

I rendimenti del compressore e della turbina includono includono il rendimento isoentropico e

quello volumetrico (perdite di portata per i trafilamenti attraverso le tenute):

= =

, , , ,

Per avere potenza netta all’albero è necessario che:

>

Il salto entalpico in turbina deve essere quindi molto più elevato del salto entalpico al compressore. Il

salto entalpico dipende dalle temperature: 1

) ( )

= [( + ( − ) − ( − ) ]

3 4, , 2, 1 ,

Per ottenere lavoro utile all’albero si deve aumentare considerevolmente la temperatura del fluido

3

all’ingresso della turbina. Con le temperature che si riescono attualmente a raggiungere, il compressore

assorbe una potenza ≈ (0.5 ÷ 0.6) . Che temperatura massima si raggiunge?

3

Il valore di dipende dal tipo di materiale e dalla

3

tecnologia di raff