Sistemi cogenerativi

CAP 5

GRUPPI COGENERATIVI => CHP SYSTEM (COMBINED HEAT AND POWER)

- IDEA ALLA BASE DELLA COGENERAZIONE => Pe e Qth

potenza elettrica

potenza termica

• nel mondo industriale ci sono aziende che hanno bisogno sia di Pe che Qth (es: cartiere, alimentari, chimica, essiccatori)

• mondo civile => terziario (uffici, ospedali, ...)

residenziale (< micro cogenerazione)

• come si realizza un gruppo cogenerativo

domanda di potenza termica ed elettrica -> stima delle dimensioni dell'impianto -> reale fabbisogno

[il vantaggio lo si ha se c'e qualcuno disposto a pagare per avere energia certa]

PM = tecnologie che permettono di realizzare gruppi cogenerativi

TG (rilasciano fumi ad alta temp.)

TV (i cicli a vapore producono vapore caldo) in contropressione e in derivazione

cicli combinati (perfetti perch? eta t e Pe t)

MCI (motori a combustione interna) ... ottimi per la microcogenerazione

INDICI DI PRESTAZIONE

a)

eta_i = (Pe + Qth) / F = eta_CHP = eta_el + eta_th

eta_i = rendimento di primo principio

F = potenza introdotta con il combustibile

[eta_i dice se e quanto e "buono" il cogeneratore]

scrivendo cosi Pe e Qth hanno lo stesso valore ma non hanno lo stesso valore energetico perche passando da Pe a Qth la conversione e integrale mentre invece passando da Qth a Pe si hanno delle perdite

eta_II = (Pe + (1 - T1/T2) Qth) / F

eta_II = rendimento di secondo principio

(1 - T1/T2) e un peso < 1

e un metodo piu corretto per ragionare ma nella pratica non si usa

b) IRE = indice di risparmio cogenerativo

PES = primary energy saving

indice che dice se e conveniente la cogenerazione rispetto alla produzione separata dei beni

• confrontando le potenze separate rispetto ad un impianto cogenerativo

IF

CHP

Pe

Qth

potenza introdotta con il combustibile

F* = Fe* + Fth* = Pe/eta_el* + Qth/eta_th*

IRE = (F* - F) / F*

IRE > 0 a pari prodotti immetto una potenza entrante con il combustibile minore (conviene)

IRE = 0 a pari prodotti immetto una potenza entrante con il combustibile maggiore (non conviene)

I_e! η_el! P_el!

IMPIANTO CHP CON TV IN "CONTROPRESSIONE"

SP = SPLITTER (SIMILE AL BY-PASS) CL = COLLETTORE (SI COLLEGANO 2 PORTATE) P_UT => DIPENDE DA UT

P_deg ~= P_atm -> IL DEGASSATORE LO SI FA LAVORARE PRATICAMENTE ALLA PRESSIONE AMBIENTE

P_el = eta_ov m_v (h_c - h_e)

Q_th = m_v (h_D - h_U)

F = 1/eta_gen m_v (h_c - h_A)

PER RICAVARE h_D FACCIO IL BILANCIO AL COLLETTORE

m_v h_e + (m_UT - m_v) h_c = m_UT h_D => h_D = 1/m_UT [m_v h_e + (m_UT - m_v) h_c]

E CHIAMATO IN CONTROPRESSIONE PERCHE L'UTENZA TERMICA SVOLGE IL RUOLO DEL CONDENSATORE, SI GENERA UNA CONTROPRESSIONE ALLO SCARICO

MARGINI DI REGOLAZIONE:

• TUTTA m_v^! PASSA IN TURBINA => MASSIMA POTENZA ELETTRICA
• TUTTA m_v^! PASSA ALL'UTENZA TERMICA => MASSIMA POTENZA TERMICA

DAL PUNTO DI VISTA TERMODINAMICO SI PUO FAR VARIARE m_v E h₀

CASO DI MASSIMA POTENZA ELETTRICA: m_v = m_UT

(P_el)_max = eta_ov m_UT (h_c - h_e)

Q_th = m_v f (h_e - h_U)     h_e = h_u

(eta_ut)_max = (P_el)_max / F = eta_ov eta_gen (h_c - h_e) / (h_e - h_A)

eta_th = Q_th / F = eta_gen (h_e - h_u) / (h_c - h_A)

-CASO DI MASSIMA POTENZA TERMICA m_e = 0

P_el = 0

(Q_th)_max = m_v (h_e - h_u)

h_o è h_c e h_e = h_c

Q_th = (Q_th)_max = m_v (h_e - h_u) / F = eta_th,med (h_e - h_u) / (h_e - h_u)

OSS. CON TALE IMPIANTO E' POSSIBILE PRODURRE POTENZA TERMICA SENZA PRODURRE POTENZA ELETTRICA MA NON E' POSSIBILE PRODURRE POTENZA ELETTRICA SENZA POTENZA TERMICA

OSS TALI IMPIANTI SONO FOCALIZZATI SULLA PRODUZIONE DI POTENZA TERMICA

ESEMPIO

P₁ = 50 barP_1T = 5 bar

NELLA CONDIZIONE m_v^e = m_vT => eta_el = (eta_el)_max = 0.11

m_vT = 0.66

=> IR = 0.96

NELLA CONDIZIONE m_v^e = 0 => eta_el = 0.33

=> IR = 0.88

A E B SONO LE DUE CONDIZIONI LIMITE

- TUTTE LE CONFIGURAZIONI DELL'IMPIANTO STANNO SU TALE SEGMENTO

LA CONDIZIONE A CONSENTE DI AVERE IR POSITIVO

LA CONDIZIONE B HA IR NEGATIVO

OSS REGOLANDO LA VALVOLA CI SI MUOVE ATTORNO AD IR = 0

IMPIANTO COGENERATIVO CON TV IN DERIVAZIONE

UT SI TROVA AD UNA PRESSIONE MAGGIORE DI K, QUINDI IL LIQUIDO FLUISCE IN MANNERA AUTONOMA VERSO IL CONDENSATORE

SC -> VALVOLA PER LO SCARICO DELLA CONDENSA

P₁ -> POMPA DALLA P_k ALLA P_es

P₂ -> POMPA DALLA P_es ALLA P_v

m_e = m_HP + (m_e - m_HP)

= m_vl + m_LP + m_UT

m_v^e -> PORTATA DI VAPORE CHE ALIMENTA IL DEGASATORE STABILENDO LA PRESSIONE DI LAVORO

LA VALVOLA V₁ NON E' UN GRADO DI LIBERTA' DEL SISTEMA

SONO TUTTI m^'_c

DIAGRAMMA TERMODINAMICO

h_c = h_c'

h_u = h_u'

h_D = h_D'

PROCESSI SEMPRE VARI L'APERTURA DI UNA VALVOLA

BILANCIO AL CONNETTORE:

ṁ_c h_B = ṁ_m h_co + (ṁ_c - ṁ_m) h_D => h_D = 1 / ṁ_c [ṁ_m h_co + (ṁ_c - ṁ_m) h_c]

BILANCIO AL DEGASSATORE

(ṁ_c - ṁ_v1) h_A + ṁ_v1 h_D = ṁ_e h_B

ṁ_v1 (h_D - h_A) = ṁ_e (h_B - h_A) => ṁ_v1 = ṁ_e (h_D - h_A) / (h_B - h_A) << ṁ_e

EQ. GENERALI:

P_el = [ṁ_hp (h_c - h_D) + ṁ_up (h_D - h_E)] eta_ov

Q_th = ṁ_ut (h_D - h_u)

F = 1 / ṁ_con ṁ_c (h_c - h_B)

F RESTA FISSO, NON VARIA VARIANDO LE CONFIGURAZIONI

CASO DI (P_el)_max

ṁ_hp = ṁ_c

ṁ_up = ṁ_c - ṁ_v1

ṁ_v1 = 0

(P_el)_max = [ṁ_c (h_c - h_D) + (ṁ_c - ṁ_v1) (h_D - h_E)] eta_ov

= [ṁ_c (h_c - h_B) + (ṁ_c - ṁ_v1) (h_D - h_E)] eta_ov

= [ṁ_c (h_c - h_B) - ṁ_v1 (h_B - h_E)] eta_ov

Q_th = ṁ_ut (h_D - h_u) = 0

=> P_el = 0

(Q_th)_max = (ṁ_c - ṁ_v1) (h_c - h_B)

h_B = h_c = h_e

CASO IBRIDO

ṁ_hp = ṁ_c

ṁ_up = 0

=> P_el = ṁ_c (h_c - h_B) eta_ov

Q_th = (ṁ_c - ṁ_v1) (h_D - h_u)

ESEMPI

(A) (P_el)_max => ṁ_v1 = 0

t_el = 0.365

t_th = 0

RE = 0.40

(B) (Q_th)_max => ṁ_hp = ṁ_up = 0

t_el = 0

t_th = 0.766

RE = 0.712

t_el = 0.20

t_th = 0.57

RE = 0.02

? TALE IMPIANTO HA POCHI PUNTI IN CUI IRE > 0

? TALE HA UNA ELEVATA FLESSIBILITA

mu* = 0.38

mu* = 0.80

-> RISPETTO A TALE RETTA GLI ESTREMI SONO NEGATIVI MA UN SUO COMUNQUE MOLTO SIMILI

PUNTI IN CUI IRE > 0

? CONSIDERANDO q* ed n* SI HA

IRE_A = -0.04

IRE_B = -0.04

IRE_C = +0.190

- DIFFERENZE CON I GRUPPI COMBINATI COGENERATIVI

• LA POTENZA MINIMA E PIU ELEVATA RISPETTO AL CASO PRECEDENTE
• SE FERMASSI IL TG SI FERMEREBBE TUTTO IL CICLO MENTRE NEL CASO PRECEDENTE TRAMITE LO SPLITTER POSSO DEVIARE IL FLUSSO
• TALE CICLO RISPETTO A QUELLO PRECEDENTE PERDE DI FLESSIBILITA E GUADAGNA IN RENDIMENTO