Sistemi Energetici - SE GeneratoriDiVapori

Generatori di vapore a combustione

Le caldaie hanno le funzioni di:

• Convertire combustibile in gas caldi
• Trasferire calore sensibile dei gas caldi al fluido del ciclo

Garantendo:

• Adeguato tiraggio al camino
• Massimo rendimento
• Costi di investimento ragionevoli

Rendimento elettrico netto impianto

_N^NETTO_el = ^IMP/_mcPCI = ^CV/_mcPCI = ^{TV - P_el - P_aux}/_mcPCI = ^TV/_Qin

Moltiplico e divido per Q_in.

= ^Q_in/_mcPCI = ^{C.V. P_el-netta - P_aux}/_Qin = ^{C.V. P_el-netta - P_aux}/_Qin = _C.V.P_el-netta = _C.V. P_el-netta

= _C.V. P_el-netta = _C.V. P_el-netta = η^CALD_{TH C.V.}P_el-netto = η^CALD_TH η_el-netto (1 - ^P_aux/_{C.V. Pel-netta})

Generatori di vapore a combustione

Le caldaie assolvono le funzioni di:

• Convertire combustibile in gas caldi
• Fornire calore sensibile dei gas caldi

Elevare del ciclo garantendo:

• Adeguato tiraggio al camino
• Massimo rendimento
• Costi di investimento ragionevoli

Rendimento elettrico netto impianto

_N^NETTO_el = ^P_EL-NETTA/_mcPCI = ^{C_V P_EL-NETTA - P_EL}/_mcPCI = ^{T_V P_EL - P_EL - P_AUX}/_mcPCI

= ^Q_in/_mcPCI ^{T_V P_EL - P_EL - P_AUX}/_Qin = ^{CALD _th C_V P_EL-NETTA - P_AUX}/_Qin

= CALDth CV PEL-NETTA = CV PEL-NETTAQin = CALDth CVel-netto 1 - PAUX CV

Trascurando gli ausiliari

Occorre tenere conto sia del rendimento di caldaia del rendimento elettrico netto del ciclo vapore.

Pro:

• Riduzione Pcond
• Aumento Peva
• Aumento Tsh
• Aumento Nwingen
• Aggiungo Rsh

Tot. 5 fattori favorevoli.

Pro:

• Riduzione di Tcan (calore sensibile dei fumi)
• Aumento coibentazione (perdite termiche)
• Miglioramento fluidodinamico (inconvenienti)
• Minimo accesso d’aria per ossidare tutto il combustibile

Warning!!!!

C’è conflitto tra rigenerazione e temperatura al camino.

Conflitto: rigenerazione e T_CAN, con rendimento di caldaia

In assenza di preriscaldatore d'aria

Porta:

T_RIOG: temperatura dell'acqua di alimento all'ingresso della caldaia.

T_CAN: temperatura fumi al camino.

Dove rimettere:

T_CAN > T_RIOG.

Quindi:

Per aumentare il ciclo, saliremo e T_C < 2300 °C.

Ma T_CANINO > T_RIOG e non posso raffreddare sotto i 1300 °C.

Con preriscaldatore d'aria

In questo modo la temperatura al camino può essere abbassata fino alla temperatura desiderata.

Quindi:

• N_cv ^↑, grazie alla rigenerazione dell'acqua alimento
• N_th ^↑, grazie alle T_camino più basse possibili

Impianto nel netto ottimizzato!

Temperatura materiali e scambio termico

Scopo: realizzare le pareti di scambio termico gas-vapore con materiali poco costosi; quindi acciai al carbonio o poco legati.

• T < 450°C (al carbonio)
• T = 540-650°C (legati con Ni, Cr)

Consideriamo la parete metallica a lato:

• Tg: temperatura dei gas caldi.
• Ti: temperatura dell'acqua.

Esse variano a causa dello scambio termico lungo la coordinata Y.

• T_p,e: temperatura della parete metallica esterna.
• T_p,i: temperatura della parete metallica interna.

Flusso termico tra gas e parete esterna

Il flusso termico scambiato tra gas parete esterna è dovuto a:

• Convezione
• Irraggiamento: acqua e anidride carbonica a T>400°C hanno emissività non trascurabile, molte onde, particelle di cenere e sotebo irradiato

In generale si raggruppa il contributo dell’irraggiamento nel coefficiente di convezione corretto.

q̇ = q̇_conv + q_conv = h_g (T_g-T_pe) + εδ₀ (T_g-T_pe)

h^* = h_g + εδ₀ (T_g⁴-T_pe⁴) / (T_g-T_pe,e)

Flusso termico tra parete e parete

Il flusso termico scambiato tra parete e parete è dovuto alla conduzione:

q̇_parete = k / λ (T_pe,e-T_pi)

Flusso termico tra gas e parete interna

Il flusso termico scambiato tra gas parete interni è dovuto a convezione:

q = h_i (T_p - T )

Ip: regime stazionario.

I 3 flussi termici sono uguali.

q = q_g-pe = q_pe-pi = q_pi-i

Analogia delle resistenze elettriche

Seguendo l'analogia delle resistenze elettriche si ha che:

T_g - T_i      q = ---------- dove      R_TOT = R₁ + R₂ - R₃      R_TOT = 1 / h_g* + L / k + 1 / h_i

T_pe - T_i      q = ------------ dove      R^2'3_TOT = L / k + 1 / h_i* | T_pe - T_i | = q R^2'3_TOT = h_g* (T_g-T_pe) R^2'3 _TOT = (T_g-T_pe) h_g* (L / k + 1 / h_i) = h_g* / h_i (T_g - T_pe)

Se coibentiamo metalli con conducibilità tecnica elevata, la formula si può semplificare.

Considerando:

(T_p,e-T_i)= _hg^*/^h_i (T_o-T_pe)

Scopo: mantenere bassa la differenza tra parete esterna e vapore al fine di usare materiali poco pregiati e costosi.

Si ha:

h_g^*: dipende dalla temperatura e concentrazione di acqua e anidride carbonica e dalla presenza di ceneri o solidi che innalzano molto più dei gas e dalla velocità.

h_i: deve essere elevato al fine di mantenere poca distanza tra |T_pi,e -T_pi|.

Elevato coefficiente di scambio termico lato vapore

T > 2000 K h_g^* = (130 ÷ 160) W/m²K

T = 1000 K h_g^* = 100 W/m²K

T < 100 K h_o = (70 ÷ 85) W/m²K

Caso h_i >> h_g^*.

Quanto vale Ri per liquido, fluido bifase e vapore surriscaldato?

• Liquido e vapore surriscaldato
• Si usa la formula di Dittus-Boelter considerando il fluido monofase
• Si ottiene

Nu = a Re^α Pr^β

h_LIQ/SH = (K_F / D) (ρ V D / μ)^α (c_p μ / K)^β

Quindi K dipende da:

• Densità
• Calore specifico
• Conducibilità termica del fluido
• Viscosità dinamica
• Velocità

Proprietà del fluido

a. ℎ_liquido

V_liquido = (1 ÷ 5) h/m

Ottimo compromesso tra:

• Perdite di carico
• Coefficiente di scambio termico convettivo
• Fluido denso
• Elevato calore specifico a pressione costante
• Coefficiente di conducibilità termica elevato

ℎ_liquido = (1000 ÷ 2000) W/m²K

b. ℎ_SH

V_SHvapore = (15 ÷ 25) h/m

• Il vapore è meno denso e viscoso quindi le perdite di carico aumentano meno rapidamente con la velocità
• Debiti basso
• Calore specifico a pressione costante basso
• Coefficiente di conducibilità termica basso

ℎ_SHvapore = 500 W/m²K

2. Fluido bifase

Regione A: scambio termico con flusso forzato e liquido sottoraffreddato.

Regione B: ebollizione nucleata.

Fenomeno di bolline di vapore nella superficie della parete, per T_p > T_eva, e tali bolle si distaccano dalla superficie per trascinamento e spinta di Archimede (evaporazione). A contatto con il liquido cedono calore e condensano.

A causa di questo meccanismo di evaporazione e condensazione Ri sale!

Par ete metall di sepa laz.

h_vap = 500 W/m²K

Condi flusso critico Ri > 15000.

Regione C: formazione di bolle in getti e colonne

Le bolle sono sufficientemente grandi da non condensare a contatto con il liquido ed occupano mano a mano la maggiore parte delle sezioni di passaggio.

Il punto di massimo coefficiente di scambio tecnico convettivo e quindi di massimo flusso è detto punto di flusso critico.

Regione D

La velocità di formazione delle bolle è maggiore delle velocità con cui le bolle si distaccano dalla superficie poiché la densità del fluido è ormai prossima a quella delle bolle di vapore, quindi la spinta di Archimede è ridotta. Quindi si forma un film di vapore.

Tale film all'inizio instabile, ormai si forma e periodicamente si distacca.

Tale film di vapore riduce il coefficiente di scambio termico perché H_vap R_liq.

Regione E

Il film di vapore diventa stabile e quindi il coefficiente di scambio termico convettivo precipita al valore del vapore surriscaldato.

Quindi, al fine di mantenere la temperatura di parete esterna ai valori sopportabili da acciai più o meno legati, sfruttare l'elevato coefficiente di scambio termico convettivo del flusso bifase.

La disposizione a lotto è usata se T_Gas > 100-1000 °C al fine di tenere: T_p,e.

L'evaporatore deve funzionare nella zona di moto a bolle e tappi dove R_i fc.

• Stabilità
• Sicurezza nel funzionamento

Evaporatore a contatto con i gas più caldi ridurre T_p,e!!

(Schema del processo)

Titolo X unitario