Riassunto esame Sistemi energetici, Prof. Venturini Mauro, libro consigliato Macchine, Contore

Schema di lay-out di un impianto

termoelettrico convenzionale con turbina a

vapore, a ciclo chiuso con condensazione.

Descrivo brevemente le principali macchine

ed apparecchiature che costituiscono

l’impianto:

- caldaia (generatore di vapore) [C]:

all’interno di essa, l’energia chimica

del combustibile viene convertita,

durante la combustione, in energia

termica; è possibile suddividere il

generatore in tre zone: nella prima si

compie il riscaldamento del fluido fino

alla temperatura di vaporizzazione

corrispondente alla pressione di caldaia; nella seconda il fluido vaporizza all’interno

dei tubi “vaporizzatori”, che schermano la camera di combustione della caldaia e

ricevono calore per irraggiamento; nella terza zona il vapore raggiunge il grado di

surriscaldamento desiderato, attraversando una serie di scambiatori a convenzione

(s) lambiti esternamente dai gas ad alta temperatura. In uscita dalla caldaia il vapore

presenta un elevato contenuto entalpico che può essere convertito in lavoro

meccanico.

- turbina a vapore [T]: il vapore prodotto in caldaia e caratterizzato da un elevato

contenuto entalpico viene fatto espandere in turbina rendendo disponibile lavoro

meccanico.

- alternatore [A, ]: è la macchina che consente la conversione dell’energia

∼

meccanica in energia elettrica.

- condensatore [K]: è uno scambiatore di calore a fascio tubiero in cui il vapore

uscente dalla turbina viene condensato completamente alla temperatura di circa

30-35 ad una pressione inferiore a quella atmosferica. Il fluido refrigerante è

℃,

usualmente acqua fredda prelevata dai corsi d’acqua.

- pompa di estrazione [ ]: estrae la condensa raccolta sul fondo del condensatore e

2

la invia nel serbatoio .

- serbatoio [ ]: serbatoio a pressione atmosferica che ricopre una duplice funzione:

di degasaggio (eliminazione dei gas presenti in soluzione) e di reintegro dell’acqua

che viene preventivamente trattato prima di essere immesso in circolazione

all’interno dell’impianto.

- pompa di alimento della caldaia [ ]: aspira l’acqua del serbatoio e la invia in

1

caldaia alla pressione di vaporizzazione fissata. Il vapore allo scarico della turbina è

caratterizzato da un volume specifico superiore a quello dell’acqua, esso non viene

inviato subito in caldaia ma prima deve essere condensato (o trascurato).

I cicli termodinamici a vapore

La descrizione del ciclo termodinamico base viene condotta facendo riferimento allo schemi

di lay-out ed ai diagrammi T-s e h-s del vapore d’acqua, nei quali è rappresentato un ciclo a

‘vapore surriscaldato’ (ciclo di Hirn); l’analisi termodinamica è condotta nell’ipotesi che le

trasformazioni subite dal fluido siano tutte reversibili.

; durante l’attraversamento del tubi vaporizzatori e dei

→

surriscaldatori la pressione del fluido diminuisce in maniera sensibile a causa delle perdite di

calore, nell’analisi termodinamica si trascura tale perdita e si ipotizza che rimanga

costante all’interno della caldaia. , uguale al valore della pressione del fluido in

→

corrispondenza della sezione di uscita della turbina, è possibile ipotizzare che la pressione

di condensazione rimanga costante all’interno del condensatore.

Dall'intersezione dell’isobara e dell'isoterma si determina

= =

lo stato fisico che caratterizza il vapore all'ingresso in turbina. →

Ipotizzando un’espansione ideale del vapore, il punto (stato fisico del

fluido in uscita) è definito dall’intersezione dell’isoentropica passante per

e dell’isobara ; all’interno del condensatore il vapore condensa

=

a temperatura costante e a pressione minore di quell'ambiente.

L’acqua di condensa esce dal condensatore nello stato fisico di liquido

saturo e viene inviata, mediante la pompa , al serbatoio che è a

1

pressione ambiente (stato fisico ): qui il liquido si raffredda a pressione

'

costante fino ad una temperatura . La pompa di alimento della

''' 2

caldaia preleva l’acqua dal serbatoio e la introduce nel generatore di

vapore alla pressione (stato fisico ).

''

Il calore fornito in kg di fluido in caldaia per portarlo dallo stato fisico allo stato fisico

''

1

di vapore surriscaldato è dato dall’area sottesa al tratto dell’isobara e vale :

'' ''

= ℎ − ℎ

1 ''

Il calore sottratto al fluido durante la condensazione è individuato dall’area sottesa

2

al tratto dell’isobara e vale:

= ℎ − ℎ

2

Il lavoro netto ottenuto in un ciclo per unità di massa di fluido è uguale, per il primo principio

della termodinamica, alla differenza fra la quantità di calore fornita e la quantità di calore

1

( ) ( )

scaricata :

= − = ℎ − ℎ − ℎ − ℎ

2 1 2 ''

ed è pari all’area nel diagramma T-s.

''

è possibile riscrivere l’equazione precedente come:

( ) ( )

= ℎ − ℎ − ℎ − ℎ = −

''

ed esprimere il lavoro specifico netto ottenuto come differenza fra il

lavoro specifico ideale disponibile all’albero della turbina e quello

speso nell'azionamento dei due gruppi di pompe per il ricircolo

dell’acqua.

Il rendimento termodinamico definito al solito dalla:

η

ℎ

η = =

ℎ 1 ( ) ( ) −

ℎ −ℎ − ℎ −ℎ

assume in questo caso la seguente forma: ''

η = =

( )

ℎ −ℎ

ℎ '' 1

L’energia spesa nel pompaggio del fluido è molto piccola rispetto al lavoro raccolto in turbina

e per trattazioni semplificate si trascura il contributo del lavoro : equivale a considerare

coincidenti i punti e .

'' ( )

ℎ −ℎ

Il rendimento del ciclo diviene:

η = ( )

ℎ −ℎ

ℎ

Se il vapore all’ingresso in turbina è saturo e non surriscaldato, il corrispondente ciclo è

denominato ciclo di Rankine.

Volendo valutare la potenza disponibile ai morsetti dell’alternatore è necessario tenere conto

delle dissipazioni energetiche, trascurate nella precedente analisi termodinamica ma sempre

presenti nelle macchine.

Ottimizzazione del rendimento termodinamico

rappresenta il termine che influisce maggiormente sul valore del rendimento globale

η

ℎ

dell’impianto, è nec