Macchine 4: cicli combinati, cogenerazione, motori a combustione interna, esercizi

Cicli Combinati

impianti con maggiore efficienza elettrica nell’utilizzo dei combustibili; impianto turbogas ciclo aperto e impianto a vapore, si sfrutta lo scarico del turbogas come input energetico dell’impianto a vapore.

turbogas - topper vapore - bottomer

si hanno così due generatori di energia elettrica

Unfired con il combustore Fired con combustore aggiuntivo

rendicmento Fired

L_ATAG → L_A

Q_FIRTAV → L₂

η₁ = L₁ / Q_A → Q₂ = Q_A(1 - Z₁)

η₂ = L₂ / (Q₂ + Q_FIR)

ε = Q_FIR / Q_A → Q_FIR = εQ_A

η_C = η₁ + η₂ - η₂Z₁

L₁ + L₂

η_C = 2η_A + Z₂(1 - Z₁)η_A

Q_A + 2(Z₂ - η₂)Q_A + Q₂εQ_A

η₁ + 2Q₃η₂Z₁Q_A

L₂Q₃^η₂Q₂/ 1 + ε

z₂L₂n₂Z₁₂

non tutto Q₂ entra nel ciclo a vapore perché che scambiatore di calore che rilascia parte del calore all’ ambiente

caldaia a recuperò HRSG

Q₃ = (1 - Z₁)Q_A

L₂ = n₂Q₃

Q_HRSG = c_P(T_AG - T_SG)

Q₃ = Q₃Z_HRSG

n_C = n₁ + n₂Q_HRSG

Cicli a recupero ideali

Idea alla base del ciclo combinato - ideale: ciclo che recupera completamente ciclo reversibile

_QW= G_ST G-portataP_W = G_SRREW = G_SR

ciclo reale_T-Rciclo reversibileη_I = L_REQuotient:

quindi η_T1L _RE

per massimizzare x e η massimi

non è realizzabile_C

ciclo di Carnot rettangolare

• η alto
• soluzione ottimale
• η basso

con soluzione ottimale

Δ_SBdevo trovare T_EEmin S_Smax

Cogenerazione con impianti a vapore

• contro pressione
  • sostituisco compressore con scambiatore di calore che va all'utenza
  • recupera tutta energia termica ma tanta quantità di calore richiesta
• spillamento controllato
  • si inserisce anche il condensatore
  • si spilla vapore dalla turbina che si reimmette nel degasatore
  • Pₒ più elevata
  • è più efficace, utilizzato di più
• più Tᵖ vapore, più Tᵢᶠᶠᵣᵉ e ↓ Pₑₗ

Vantaggi

• diversi combustibili
• calore disponibile a diversi livelli di pressione
• impianti di lunga durata

Svantaggi

• acqua utile aumentata, efficienza diminuisce
• impianti di grandi dimensioni

Cogenerazione con impianti turbogas

• si inserisce uno scambiatore allo scarico della turbina per produrre acqua calda o vapore
• la produzione termica è indipendente da ciò che succede dal punto di vista elettrico, perché scambiatore è a valle di tutto

• Tᵖ vapore non influenzato Pₑₗ
• se Tᵖ vapore, recupero nullo
• prodotto portata più bassa
• Pₒ meglio Pₜᵣ disponibile

T.G. ↦ Tᵖ: Pₑₗ cost e ↓ PₜᵣI.V. ↦ Tᵖ: Pₑₗ e Pₜᵣ ↑

Confronto tra BDR e ciclo Diesel

a rapporto di compressione e calore Q_i costanti:

Q_BDR = Q_D

β_BDR = β_D

• 1-2 coincidono
• 2-3D diesel (isobara Q_i)
• 2-3BDR BDR (isocora Q_i)

area ciclo diesel _otto {Q₂}

Q_2BDR è maggiore

area ciclo diesel _otto {Q₂}

a pressione massima e calore Q_i costanti:

Q_2BDR > Q_2D

η_D > η_BDR

diesel consumo medio costante

Ciclo reale

macchina a fluido non ideale - irreversibilità per attrito trasf. non adiabatiche

- I tratto pareti più calde del fluido

- II tratto fluido più caldo

fase di combustione

• I tempi a disposizione per le trasformazioni nei HCI sono ridottissimi, in causa l'effetto di congelamento delle reazioni di trasossidazione

nei motori diesel

• il motore aspira aria
• al termine della compressione, aumenta la temp
• vi è l'iniezione del combustibile
• prima goccia frutto, brucia e aumenta pressione e temp
• le altre gocce continuano ad entrare e bruciano

pressione media indicata

pressione media effettiva pure = p_mi x η_mec

lavoro effettivo le = p_me V

lavoro utile (positivo) lu = p_me V _cilindrata