Sistemi energetici

COMBUSTIBILI IMPIEGABILI

Impianti motori a combustione esterna: spesso sprigiona più inquinanti perché non c’è attenzione al tipo di

combustibile

- Combustibili fossili scadenti (carboni, combustibili residui, combustibili di processo)

- Biomasse (compresi RSU)

- Combustibili nucleari

Impianti motori a combustione interna: hanno bisogno di Combustibili pregiati

- Gassosi (gas naturali) per applicazioni stazionarie

- Liquidi (kerosene, benzine e gasolio per applicazioni mobili – terrestri, navali ed aeronautiche).

Rendimento globale di un impianto motore termico

Ha l’obiettivo di produrre effetto utile e lavoro meccanico (potenza) a partire dal combustibile.

: Potenza meccanica

prodotta. È l’effetto utile.

: Potere calorifico inferiore

associato al combustibile.

Espresso in KJ o MJ per Kg di

combustibile (KJ/Kg).

: Potenza elettrica.

: Portata di combustibile

(eta): efficienza

Il rendimento globale indica quanto bene l’impianto utilizza l’energia disponibile nel combustibile per generare

energia utile. È definito dalla formula soprariportata.

IMPIANTI A COMBUSTIONE ESTERNA

Impianti a vapore: Impianti che servono per la produzione di potenze elettriche da decine di MW a oltre 1000

MW (potenze medio-alte).

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Combustibili di alimentazione Combustibili fossili scadenti (carboni, combustibili residui, combustibili di

processo) / Biomasse (compresi RSU) / Combustibili nucleari;

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Rendimenti globali Attualmente 40-45% a seconda della taglia e dei parametri operativi (40 per impianti di

media taglia subcritici e 45 per impianti di grande taglia USC);

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Applicazioni Soprattutto applicazioni stazionarie per la produzione di energia elettrica ed, eventualmente,

energia termica in applicazioni cogenerative.

IMPIANTI A COMBUSTIONE INTERNA

Turbine a gas: Entra l’aria fredda, c’è compressione dell’aria, c’è combustione e l’aria fredda compressa è a stretto

contatto con il combustibile. La combustione avviene in mezzo al fluido principale (aria compressa) e il prodotto

della combustione (aria compressa e combustibile completamente miscelati) vanno alla parte motrice della

macchina, la quale produce da qualche MW a 500 MW (potenze medie).

• →

Combustibili di alimentazione Si utilizza gas naturale per le applicazioni stazionarie o kerosene per le

applicazioni aeronautiche;

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Rendimenti globali Attualmente sono intorno al 30-40% a seconda della taglia e dei parametri operativi (30 per

TG di piccola taglia e 40 per TG di medio-grande taglia). Il rendimento globale rappresenta il rapporto tra l’effetto

utile e l’energia primaria inserita nel sistema;

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Applicazioni Applicazione incontrastata nella propulsione aeronautica / diffusissime applicazioni stazionarie per

la produzione di energia elettrica ed, eventualmente, di energia termica in applicazioni cogenerative.

Impianti combinati gas-vapore: Da circa 20 MW a oltre 1000 MW (potenze medio-alte).

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Combustibili di alimentazione Gas naturale per le applicazioni stazionarie;

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Rendimenti globali Attualmente 50-60% a seconda della taglia e della configurazione del GVR (50 con GVR a

1LP e 60 con GVR fino a 3LP);

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Applicazioni Diffusissima applicazione stazionaria per la produzione di energia elettrica ed, eventualmente, di

energia termica in applicazioni cogenerative.

PREGI: rendimento molto elevato / ridotto impianto ambientale / elevata flessibilità di esercizio / bassi costi di

installazione, di esercizio e di manutenzione / elevata affidabilità e disponibilità / tempi brevi di costruzione ed

installazione.

DIFETTI: impianto monocombustibile a combustibile pregiato (gas naturale).

IMPIANTI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)

Motori Alternativi a Combustione Interna (MCI): Da qualche kW a quasi 100 MW (potenze medio-basse). Ha una

prima fase di aspirazione in cui l’aria viene aspirata tramite la creazione di un vuoto grazie alla discesa di un

pistone all’interno di un cilindro (come una siringa). Dopodiché viene chiusa la valvola del cilindro e il pistone

risale comprimendo l’aria. A questo punto si inietta il combustibile e se è benzina serve la scintilla di una candela

mentre se è diesel si accende da solo (aria comburente + combustibile). Con la combustione il pistone si riabbassa.

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Combustibili di alimentazione Benzina e gasolio per autotrazione / Gasoli nafte pesante per la propulsione

marina / Gas naturale, biogas, oli vegetali per applicazioni stazionarie;

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Rendimenti globali Attualmente 35-55% a seconda della taglia e della tipologia di motore (35-40 con motori

Otto 4T e 40-55 con motori Diesel 2T e 4T);

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Applicazioni Applicazione incontrastata nell’autotrazione / Diffusissima applicazione navale / Applicazione

stazionaria per la produzione di energia elettrica e di energia termica in applicazioni cogenerative.

MOTORI OTTO: potenze limitate (frazioni di kW fino a un massimo di 500-1000 kW), usati soprattutto per

autotrazione, applicazioni motociclistiche, piccole applicazioni agricole, nautiche, cogenerazione.

MOTORI DIESEL: potenze molto più elevate (FINO A CIRCA 100 MW), usati soprattutto per trazione (leggera e

pesante), propulsione navale, applicazioni stazionarie per produzione di EE e cogenerazione).

Vantaggi e Svantaggi del Diesel rispetto all’otto:

• VANTAGGI: Rendimenti globali più elevati grazie ai rapporti di compressione molto più elevati / migliore

rendimento ai carichi parziali dovuto alla regolazione per “qualità” / coppia più elevata, poiché a parità di potenza

con i motori Otto, hanno n più bassi / cilindrate unitarie molto più elevate e limitate solo dalle sollecitazioni

inerziali.

• SVANTAGGI: Più elevato rapporto peso/potenza dovuto soprattutto all’elevato rapporto di compressione (circa il

doppio) / sistemi di post-trattamento dei gas combusti più onerosi in termini di costi e di manutenzione /

combustione più ruvida; INDICE DI PRESTAZIONE si calcola:

Per la Trazione (propulsione per

mezzi terrestri)→ è associato alla

quantità di km che si riescono a

percorrere con una determinata

quantità di combustibile iniettata.

Per la Generazione (di energia):

Potenza elettrica diviso il calore

introdotto col combustibile.

GENERATORI DI VAPORE/CALDAIE

• Generatore di vapore: Si intende quel complesso di apparecchiature di scambio termico opportunamente

interconnesse e completato da macchinari ausiliari e sistemi di regolazione e controllo, destinato alla produzione

di vapore a partire da acqua liquida.

• Caldaia: è un termine più generico con il quale si indicano anche apparecchiature nelle quali non intervengono

passaggi di stato (produzione di acqua calda o surriscaldata, caldaie ad olio diatermico etc.).

• Il calore necessario per tale operazione può essere fornito dalla combustione di un combustibile fossile

(Generatori di vapore a combustibile) ovvero un cascame di gas caldi (Generatori di vapore a recupero).

Le caldaie si suddividono in 2 grandi categorie:

→

1. Caldaie a tubi di fumo diffuse in ambito civile/terziario.

• Pregi: elevato volano termico (grande volume d’acqua contenuto nel corpo cilindrico) / semplicità di conduzione

/ economicità costruttiva.

• Difetti: bassa pressione di esercizio (con grandi corpi cilindrici occorre limitare la pressione per contenere gli

spessori entro limiti accettabili) / bassa potenzialità (perché la configurazione a tubi di fumo limita drasticamente

la superficie totale di scambio termico) / lentezza in regolazione (il grande volume d’acqua contenuto nel corpo

cilindrico costituisce un elevato volano termico).

I difetti sono tutti conseguenza del contenimento di tutta l’acqua in un grande corpo cilindrico.

→

2. Caldaie a tubi di acqua diffuse nel settore della produzione di energia elettrica. Utilizzata per superare i difetti

delle caldaie a tubi di fumo. L’acqua circola all’interno di tubi di piccolo diametro posti al di fuori del corpo

cilindrico, mentre i prodotti di combustione attraversano l’apparecchiatura in idonei condotti (in genere tappezzati

dagli stessi tubi d’acqua) lambendo dall’esterno i tubi d’acqua. Questo tipo di caldaie sono in grado di consentire

elevate pressioni di esercizio / elevate potenzialità / relativa rapidità di regolazione.

PERCORSO ACQUA – VAPORE Attraverso tale configurazione del circuito

acqua-vapore, si realizza una netta

distinzione tra ciascuna fase fluida nelle

rispettive zone di scambio termico:

• Acqua liquida nella sezione di

economizzazione (ECO)

• Miscuglio acqua-vapore saturo nella zona

di vaporizzazione (VAP)

• Vapore surriscaldato nella zona di

surriscaldamento (SH) ed eventualmente di

risurriscaldamento (RH)

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PERCORSO ARIA – FUMI

L’aria ambiente (aria comburente) incontra una prima zona di scambio termico, il preriscaldatore (PA), dove viene

preriscaldata a spese del calore contenuto nei fumi, prima del loro invio al camino per la dispersione

nell’ambiente.

L’aria viene quindi inviata nella camera di combustione (CC) dove reagisce con il combustibile generando gas di

combustione ad elevata temperatura (circa 2000°C) che cedono calore prima di tutto alla sezione di

vaporizzazione (VAP) ed eventualmente ad una parte di surriscaldamento (SHi, surriscaldatore irraggiato)

(scambio termico prevalentemente per irraggiamento, IRR).

I gas combusti, caratterizzati da temperature inferiori ai 1000°C, incontrano le sezioni a scambio termico

prevalentemente convettivo (CONV), e cioè il surriscaldatore convettivo (SHc), l’eventuale risurriscaldatore (RH) e

quindi l’economizzatore (ECO).

I fumi in uscita dall’economizzatore attraversano la sezione di preriscaldamento dell’aria comburente (PA),

generalmente presente almeno nelle caldaie di medio-grande taglia, prima di essere inviati al camino.

Nel circuito aria-fumi è generalmente inserito un preriscaldatore dell’aria comburente (PA) per assicurare un

elevato rendimento del generatore di vapore. Esistono dei limiti inferiori per la T di scarico dei gas combusti

dovuti a:

• Corrosioni acide: con combustibili di scarso pregio (oli pesanti, carbone, etc.) contenenti zolfo, interviene il

problema della così detta “rugiada acida” se la temperatura scende sotto determinati limiti (140-150°C);

• dispersione dei fumi nell’ambiente: con combustibili pregiati privi di zolfo, occorre assicurare una certa

temperatura del pennacchio dei fumi alla sommità del camin