Generatore di vapore, Otto e Diesel

Perché l'ordine reale è diverso?

1. VAP (Vaporizzatore) viene prima perché le pareti della camera di combustione sono

direttamente esposte alla fiamma e devono essere raffreddate dall’acqua che evapora. Se

non ci fosse il vaporizzatore in questa posizione, il rivestimento della camera si

surriscalderebbe e si danneggerebbe.

2. SH (Superheater) viene dopo per surriscaldare il vapore appena generato dal

vaporizzatore.

3. RH (Reheater) segue per riscaldare il vapore già parzialmente espanso nella turbina.

4. ECO (Economizer) è l’ultima sezione perché serve solo a pre-riscaldare l’acqua di

alimentazione, sfruttando gli ultimi gas esausti a temperatura più bassa.

Spiegazione dei versi delle frecce nel grafico

Nel grafico della slide 41, vedrai due tipi di flussi con frecce:

1. Flusso del fluido di lavoro (acqua/vapore)

L'acqua entra dall'economizzatore e segue il percorso attraverso vaporizzatore,

o superheater e reheater.

Questo flusso va dal basso verso l’alto nei tubi del vaporizzatore e poi continua nel

o circuito del vapore.

2. Flusso dei gas di combustione

I gas combusti si muovono generalmente in direzione opposta al fluido di lavoro

o per migliorare lo scambio termico.

Questo è il principio dello scambio in controcorrente, che migliora l'efficienza del

o trasferimento di calore.

Vaporizer e Steam Drum

Vaporizzatore:

• Situato sulle pareti verticali della camera di combustione.

o Il calore è trasmesso per irraggiamento diretto dalla fiamma.

o L'acqua entra nei tubi della caldaia come liquido saturo e ne esce come vapore

o umido (x = 0.15 - 0.25).

Drum (Tamburo della caldaia):

• Situato nella parte superiore della caldaia.

o Contiene sia acqua satura che vapore saturo.

o Funzioni principali:

o Separare la frazione liquida da quella gassosa.

§ Assorbire le fluttuazioni del carico termico.

§ Permettere la circolazione naturale o assistita dell’acqua nei tubi del

§ vaporizzatore.

Configurazione a Due Passaggi del Generatore di Vapore

La slide 45 mostra un layout tipico di una caldaia a vapore con configurazione a due passaggi

("two-pass").

Questo tipo di configurazione è molto comune nei grandi impianti termoelettrici perché migliora

il rendimento termico e ottimizza l’utilizzo del calore generato dalla combustione.

La configurazione a due passaggi significa che i gas caldi della combustione attraversano la

caldaia due volte prima di uscire dal camino.

1° Passaggio:

I gas di combustione entrano nella camera di combustione e scorrono verso l’alto.

• Qui riscaldano il vaporizzatore (VAP) e il superheater (SH).

•

2° Passaggio:

Dopo aver ceduto calore nella prima sezione, i gas vengono deviati e fanno un secondo

• passaggio attraverso la caldaia.

Durante questo secondo passaggio, riscaldano il reheater (RH) e l’economizzatore (ECO)

• prima di essere espulsi attraverso il camino.

Obiettivo: Questo doppio passaggio massimizza il recupero di calore e riduce la temperatura dei

gas di scarico, migliorando l’efficienza complessiva.

Air Blowers e Pre-heaters

Air Blowers/Fans:

• Forniscono la giusta quantità di aria per la combustione ottimale.

o

Air Pre-heaters:

• Recuperano parte del calore dei gas di scarico per pre-riscaldare l’aria in ingresso.

o Effetti positivi:

o Maggiore efficienza globale del sistema.

§ Migliore combustione, con minori emissioni inquinanti.

§

Single Pressure Level

L'HRSG è un scambiatore di calore a controcorrente che utilizza un meccanismo di

• trasferimento per convezione.

A differenza delle caldaie a combustione, dove il trasferimento avviene per convezione-

• radiazione con temperature molto alte (>2000°C), qui si lavora con temperature moderate.

Il trasferimento di calore avviene attraverso tre sezioni:

• 1. Super-Heater (SH) → riscaldamento del vapore ad alta temperatura.

2. Evaporator (VAP) → evaporazione dell'acqua in vapore.

3. Economizer (ECO) → preriscaldamento dell'acqua prima dell'evaporazione.

Ottimizzazione HRSG

ΔTPP - Pinch Point: è la minima differenza di temperatura tra il gas di scarico e il vapore

• saturo, da mantenere tra 10-15°C per un buon scambio termico.

ΔTAP - Approach: differenza tra temperatura d’ingresso del gas e temperatura di uscita del

• vapore. Più è bassa, più il sistema è efficiente.

ΔTSC - Sub-Cooling: per evitare evaporazione prematura, l'acqua deve entrare

• nell'evaporatore con un certo sottoraffreddamento (ΔTSC = 5-10°C).

Riduzione della temperatura dei fumi di scarico

Per migliorare l'efficienza dell’HRSG, bisogna ridurre la temperatura del gas in uscita dal

• camino (T5,G).

Metodi:

• 1. Eliminare la rigenerazione interna nel ciclo a vapore.

2. Immettere acqua fredda direttamente dal condensatore.

3. Ridurre al minimo il ΔTPP.

4. Usare basse pressioni per il ciclo a vapore, abbassando la temperatura di

saturazione dell’acqua.

Limiti del ciclo a pressione singola

Se la pressione del vapore è bassa, l'efficienza della turbina a vapore (ηST) diminuisce.

• Anche se si recupera più calore, il suo uso è meno efficiente e la temperatura di scarico

• non scende sotto 170°C.

L’efficienza globale del ciclo combinato rimane sotto il 50%.

• Soluzione: adottare un ciclo a più livelli di pressione per migliorare il recupero energetico.

•

FIRED Combined Cycle (Repowering)

Definizione: un ciclo combinato FIRED introduce calore aggiuntivo nella fase del vapore,

• aumentando la potenza generata.

Vantaggio principale: permette di modernizzare centrali a vapore esistenti aggiungendo

• turbine a gas, migliorando efficienza e potenza.

Opzioni di repowering (retrofitting):

• 1. Feedwater Repowering

Si eliminano i preriscaldatori rigenerativi dell’acqua di alimento.

§ L'acqua viene preriscaldata direttamente dai gas di scarico della turbina a

§ gas.

Modifiche minime → molto efficace:

§ Aumento di potenza: +20-30%.

§ Miglioramento efficienza: +2-3%.

§

Slide 20 - FIRED Repowering (altre varianti)

Altri modi per introdurre calore extra nel ciclo:

• 2. Combustion Air Repowering

Si usa l'aria calda di scarico della turbina a gas per alimentare la caldaia a vapore.

o Riduce il combustibile richiesto per la stessa potenza.

o Vantaggi: +5-7% di efficienza.

o Svantaggi: modifiche importanti alla caldaia.

o

3. Medium-Pressure Steam Repowering

Il calore recuperato genera vapore surriscaldato per la sezione di reheat

§ della turbina a vapore.

Effetti:

§ +20-30% di potenza.

§ +2-3% di efficienza.

§

Problema: alte temperature di scarico nei fumi.

§

Slide 21 - Efficienza del ciclo FIRED

Formula dell’efficienza:

• Dipende dall’efficienza della turbina a gas (ηGT) e dalla turbina a vapore (ηST).

o Viene influenzata dalla quantità di calore aggiunto nella fase FIRED.

o

Vantaggio del ciclo FIRED:

• Aggiunge calore extra al vapore senza stravolgere il ciclo.

o Migliora l’efficienza, ma aumenta i consumi di combustibile.

o

Slide 22 - Efficienza & Costi

Costi totali di un impianto:

• 1. Capex (Capital Expenditure) → costo iniziale dell'impianto.

2. Fuel Cost → costo del combustibile, il più impattante sui cicli combinati a gas.

3. O&M (Operation & Maintenance) → costi operativi e di manutenzione.

Costo di un impianto CC-GT (Ciclo combinato a gas-turbina):

• 1. Un impianto da 900 MW costa 1,0 - 1,1 miliardi di euro.

2. Costo specifico: circa 1100 €/kW installato.

Confronto con il solare:

• 1. Pannelli solari: 1500-2500 €/kW installato, ma con Capacity Factor ~0.2 (cioè

producono meno energia su base annuale).

Macchine a fluido (Fluid Machines)

I motori si dividono in due grandi categorie:

• 1. Macchine rotodinamiche → funzionano con flusso continuo (es. turbine a gas,

idrauliche, eoliche).

2. Macchine volumetriche a spostamento positivo → lavorano con volumi di fluido

chiusi e ciclicamente variabili (es. motori a pistoni, motori Wankel).

I motori a combustione interna appartengono alla seconda categoria: motori volumetrici a

• spostamento positivo e alternativo (reciprocating piston engines).

Motori a pistone alternativo

Caratteristiche principali:

• Sono macchine termiche e a spostamento positivo.

o Utilizzano un fluido che compie tutte le fasi del ciclo all'interno della stessa camera

o (cilindro).

Il moto alternativo del pistone converte la pressione dei gas di combustione in

o energia meccanica rotativa tramite l’albero motore.

Differenza tra motore a combustione interna (ICE) e motore a vapore:

• Il motore a vapore è esterno → il combustibile brucia fuori dal cilindro, e il vapore

o muove il pistone.

L’ICE è interno → la combustione avviene direttamente nel cilindro.

o

Differenze di funzionamento tra ICE e turbine

Turbine a gas/vapore:

• Hanno sistemi separati per compressione, combustione ed espansione.

o Funzionano come linee di produzione (ogni componente svolge una fase).

o

Motori a combustione interna (ICE):

• Tutti i processi avvengono nello stesso cilindro, in sequenza.

o Funzionano come una postazione singola, dove lo stesso componente esegue tutte

o le fasi.

Il ciclo termodinamico è direttamente rappresentativo del funzionamento reale

o (diagramma p-V).

Motore 4 tempi vs 2 tempi

Motore 4 tempi (4S)

• 4 corse del pistone per completare un ciclo termodinamico.

o 1 ciclo completo = 2 giri dell’albero motore (720°).

o Più efficiente e meno inquinante rispetto al 2 tempi.

o

Motore 2 tempi (2S)

• 2 corse del pistone per completare un ciclo.

o 1 ciclo completo = 1 giro dell’albero motore (360°).

o Maggiore potenza specifica, ma minore efficienza e più emissioni.

o

Fasi del ciclo Otto (4 tempi)

1⃣ Aspirazione (INTAKE) [6→1]

Il pistone scende da TDC a BDC.

• La valvola di aspirazione è aperta, mentre quella di scarico è chiusa.

• Flusso d’aria e carburante entra nel cilindro, grazie alla depressione creata dal pistone.

• Pressione ≈ atmosferica e il volume aumenta.

•

2⃣ Compressione (COMPRESSION) [1→2]

Il pistone sale da BDC a TDC, comprimendo la miscela aria-carburante.

• Entrambe le valvole sono chiuse, impedendo l'uscita del gas.

• La pressione e la temperatura aumentano