Appunti di Sistemi energetici T

SISTEMI ENERGETICI

Nel caso di sistemi energetici che utilizzano combustibile, ci vogliono più macchine a fluido.

Macchine a fluido: sistemi termodinamicamente APERTI, dove il fluido cede e riceve energia.

Input di ingresso: energia chimica del combustibile

CUMBUSTIBILE

COMBUSTIONE: processo realizzato con una specifica macchina a fluido, che prende nomi diversi a seconda del TIPO DI COMBUSTIBILE (es. camera di combustione, bruciatore, caldaia, termovalorizzatore)

Riscaldamento degli appartamenti → caldaia brucia il gas a odore e riscalda l'acqua.

ENERGIA TERMICA (CALORE)

CICLO TERMODINAMICO

ENERGIA MECCANICA (LAVORO)

Generatore/macchina elettrica

ENERGIA ELETTRICA, ma non

Studieremo sistemi energetici con TAGLIA del Mwatt in su. Sono i sistemi energetici PIÙ POTENTI, e di maggior diffusione.

SISTEMI che arrivano fino alla produzione di energia elettrica sono detti SISTEMI TERMOELETTRICI → Effetto UTILE finale: produzione di energia elettrica.

I SISTEMI ENERGETICI che arrivano fino alla produzione di energia meccanica, il fluido è detto MECHANICAL DRIVER.

ENERGIA SOLARE

come i combustibili, è una fonte energetica primaria _FEP, ossia una fonte di energia che è messa a disposizione dalla natura, e che va convertita con sistemi energetici e processi per renderla utile.

• CALORE con PANNELLI TERMICI
• ELETTRICITÀ con SISTEMI FOTOVOLTAICI (PV)

Non esiste un sistema in grado di produrre direttamente en. meccanica per produrre energia meccanica dal sole:

• CALORE ➔ LAVORO _{(pannelli termici)}

Sistemi SOLARE-TERMODINAMICO

ENERGIA GEOTERMICA

• _FEP
• no P, T
• _R

Energia nel sottosuolo che si trova sotto forma di calore, e ha diverse temperature (bassa e alta entalpia ➔ modo più sfruttato per dire sotto e sopra i 100°C).

A volte, il calore esce sotto forma di fluido dal sottosuolo.

È già sotto forma di ENERGIA TERMICA, deve solo convogliarla con sistemi adeguati.

Italia ➔ Uno dei primi paesi al mondo per produzione di en. geotermica.

Larderello (Toscana): Produce 600 MW di energia elettrica!

ENERGIA NUCLEARE

• _{FEP, D, T}
• no P, T, R

Energia atomica che si ottiene dalla fissione di nuclei di Elio o Uranio (a seconda del tipo).

Il reattore nucleare (macc. a fluido) fa diventare il combustibile nucleare, acqua calda (primi en. termica), che poi diventa en. meccanica e poi en. elettrica.

I sistemi meccanici che realizzano questo processo sono detti TURBINE, e dove centrali idroelettriche nel caso di energia IDRAULICA.

EN. EOLICA

• _FEP no P, T, R

IDRAULICA

• _FEP no T, R

MAREE/ONDE

• _FEP no P, T, R

Sono tutte e 3 già energia MECCANICA.

Passo il settore dove c'è disponibilità di vento, non c'è per forza un suo sfruttamento totale in sito.

COMBUSTIONE

COMBUSTIBILE → ENERGIA TERMICA

Nel combustibile abbiamo come elementi che producono ENERGIA il CARBONIO, IDROGENO, ZOLFO e le frazioni in massa per X_C, X_H, X_S; la somma di tali frazioni può essere minore, per altri elementi nel combustibile (H₂O, CENERI, METALLI...).

REAZIONE STECHIOMETRICA:

C + O₂ = CO₂ in termini molari; allora in termini di massa - 12 kg_c + 32 kg_o = 44 kg_co2, divido per 12 e ottengo

1 kg_c + 32/12 kg_o2 [Massa molecolare dell'OXII=32 (massa atomica 16)]

(⁸/₃ kg_o2)

Quanto ossigeno serve per ossidare tutto il CARBONIO in un chilo di COMBUSTIBILE.

Reazione stechiometrica dell'IDROGENO:

H₂ + 1/2 O₂ = H₂O in termini di moli

X_H kg_H2 + (⁸/₃) kg_o2 = (⁹/₃) kg_h2o

H₂ ho allora bisogno di (8X_H) kg_o2 per ossigenare tutto l'idrogeno in un chilo di miscela.

Da 1 kg di H₂ ci vengono fuori 9 kg di H₂O.

Reazione stechiometrica dello zolfo:

5 + O₂ = SO₂

32 kg_s + 32 kg_o2 = 6.64 kg_sio2 (DIVIDO per 32, moltiplicando per X_s)

_{XS + X + X = X}

(_XS kg_o2) e l'ossigeno che serve per ossigenare lo zolfo in un chilo di combustibile.

m_o2T = ⁸/₃ X_H + 8X_H + X_S, Massa di OSSIGENO per ossigenare un chilo di combustibile.

Se ho meno ossigeno di questa quantità, chiaramente non tutto il carburante combustirà e rimarranno degli INCOMBUSTI per mancanza di Ossigeno.

OSSIGENO va preso dal COMBURENTE, che abitualmente è ARIA.

6

CONCLUSIONI:

Rispetto la massa H₂ ho potere calorifico DOPPIO rispetto a CH₄; rispetto al volume CH₄ ho potere calorifico QUADRUPLO rispetto a H₂.

RENDIMENTO DI COMBUSTIONE (E)

È l'energia da utillizzare rispetto al valore massimo LHV.

Se non ho INCOMBUSTI E = 1; se ho INCOMBUSTI nei fumi di combustione allora l'energia REALE è E·LHV.

(1 - E)·LHV è l'energia persa sottoforma di fumi, a causa degli INCOMBUSTI.

Gli incombusti sono un problema energetico e un problema ambientale. Tra incombusti ho MONOSSIDO DI CARBONIO (CO) e IDROCARBURI INCOMBUSTI (HC).

Il RENDIMENTO DI COMBUSTIONE E dipende dalla QUANTITÀ D'ARIA. m_A, T è un VALORE TEORICO. Nella realtà mi serve più aria; tutti i processi di combustione devono avvenire con ECCESSO D'ARIA, indicato con e:

e = (m_A - m_A,T) / m_{A, T}

con m_{A, T} = aria teorica (dipende dal combustibile)

Da cui ricaverò m_A = (1 + e) m_{A, T}

Si può riportare in un grafico il VALORE DI E in funzione dell'eccesso d'aria e

avvicinarmi al 100%, devo aumentare l'aria; una volta per cento volume finisci aumentare l'aria non porta più alcun beneficio, perché ho già raggiunto l'optimum della combustione.

ESISTE UN ECCESSO D'ARIA MINIMO, che ha come obiettivo minimizzare le perdite.

Oltre la forma termica, esiste anche la FORMA MECCANICA in cui compare la PRESSIONE.

Per fare ciò uso h = pu + u → dh = du + pdv + vdp; ora uso il primo principio della termodinamica du + pdv = dq + dR con dR che sono le IRREVERSIBILITÀ, le perdite, tutto ciò che degrada in calore all'interno di un sistema.

Quindi: dh = dq + dR + vdp, ora sostituisco nelle forma termica e ottengo

cdc + gdz + dh + dℓ - dq = 0

cdc + gdz + d + dR + vdp + dℓ - dq = 0

cdc + gdz + vdp + d + dℓ = 0 FORMA MECCANICA

Confronto PRESSIONE e PERDITE!

Entrambe le forme sono EQUIVALENTI. Uso quella che mi conviene in base ai dati che ho e quello che voglio calcolare.

Definisco la VARIAZIONE DI ENTROPIA

ds = ^{dq + dR}/_T

! SONO INVERTITE LE PAGINE !

(5) Se considero come comburente il METANO, ho un ECCESSO D'ARIA dato da

Eccesso d'aria del 20%! ⇒ Nel processo di combustione

nel turbogas c'è TANTA ARIA in più!

Possiamo imporre

poiché l'aria è composta da circa 80% di Azoto, esso

non partecipa alla combustione e quindi l'azoto che trovo nell'aria in

Inoltre, consider

con la Temperatura nelle sezioni 1, 2, 3 e 4

considerando come riferimento il dell'azoto.

Diagramma Termodinamico T-S per il Turbogas

Ciclo Brayton (Ideale):

• è un ciclo ideale con:
• Gas Ideali
• Macchine Ideali

.

Isobara

per il tipo di sistema aperto preso in considerazione e un'isobara

particolare, poiché la pressione in 1 è una pressione IMPOSTA

Inoltre è imposta anche la Temperatura T₁.

1. Le condizioni INIZIALI sono quelle AMBIENTE: T₁ = T_AMB
2. Tali condizioni sono STANDARDIZZATE e
3. sono dette ISO:

P_atm = 760 mm Hg

T_amb = 15°C

Nel compressore avviene una TRASFORMAZIONE DI COMPRESSIONE de poiso

contenendo dell'equazione generalizzata del moto dei fluidi (nella forma termica):

cdc + gdz + dh +

⇒

le reverso uscent