Appunti completi del corso di Sistemi energetici

Sistemi Energetici

8/3/20

Lezione 1 (Combustione 1)

Combustione: La combustione è l'ossidazione di un combustibile da parte di un ossidante. Una reazione chimica estremamente veloce ed è esotermica, queste due caratteristiche comportano la generazione di una fiamma di volume relativamente ristretto.

• Combustibili più utilizzati sono: idrocarburi (gassosi, liquidi e solidi).
• Idrogeno e carbonio solido sono combustibili realizzabili tramite processi in laboratorio.

L'ossidante di una reazione di combustione in genere è l'ossigeno e frequentemente l'aria.

Una reazione di combustione nei processi meccanici e industriali ha l'obiettivo di convertire l'energia chimica del combustibile in calore che viene immagazzinato nei prodotti di reazione e sarà possibile estrarlo da questi.

Esempio: Combustione del metano

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O   ΔH_298K = -800,2 kJ/mol_CH4

Poiché la reazione ha un ΔH negativo significa che è una reazione esotermica.

Il calore prodotto dalla reazione aumenta la temperatura dei prodotti (H₂O e CO₂) poiché rimane intrappolato dentro di loro. Prodotti ad alta temperatura a questo punto possono essere utilizzati per i processi industriali, ad esempio:

• Possono essere utilizzati direttamente per generare energia, ad esempio tramite l'espansione di un gas in una turbina o motori a combustione interna.
• Possono essere raffreddati per estrarne il calore e trasformarlo in un secondo fluido di lavoro o ad un utilizzatore finale (es. ciclo Rankine).

NB: La combustione di un combustibile avviene attraverso una serie di reazioni elementari che coinvolgono delle specie chimiche instabili, ad esempio nella combustione del metano.

_{Prodotto finale}

O, H, OH, HCO, CH₃ sono radicali liberi e sono estremamente instabili. Essi possono reagire chimicamente estremamente veloci.La combustione attraverso stadi di radicali liberi è molto più che una formale ossidazione di CH₄ con O₂.

Nei processi di combustione sono coinvolti una serie di altre fenomeni complessi che si influenzano tra di loro:

• Reazioni chimiche (come visto prima)
• Scambio termico (irradiazione convezione e conduzione)
• Fluidodinamica
• Scambio di massa

Come risultato si ottengono dei gradienti di temperatura nelle zone della combustione oltre ai gradienti di velocità e gradienti di composizione.

Per lo studio di questi fenomi sono necessarii software sofisticati (come CFD).

In questo corso non analizzaremo in dettaglio i macro di combustione ma concentreremo per la progettazione di sistemi energetici, una combustione ossidazione del combustibile tenendolo ruvido, la presenza di specie incombusto o di contaminanti nei prodotti.

Pur essendo importanti ai fini rendimento, dal punto di vista energetico non sono determinanti e possono essere trascurati.

Combustione completa significa che:

• C → CO₂ ogni atomo di carbonio a formare CO₂
• H → H₂O ogni atomo di idrogeno andrà a formare H₂O
• S → SO₂ ogni atomo di zolfo andrà a formare SO₂
• N₂ → N₂ l’azoto rimane inerte significa che in condizioni si formano anche NO_x, ma in piccola parte che dal punto di vista energetico non influenzano sul rendimento.

Il Q in eccesso rimane O₂.

Per gli inquinanti:

• NO_x si formano nelle zone calde della combustione.
• CO e HC si formano nella zone fredde.

Per poter assumere la combustione completa è necessario che ci sia sufficiente ossigeno per descrivere la quantità di ossigeno rispetto al combustibile che reagisce usiamo:

• _aO₂ [mol_O2] [Kg_o] → esprime il rapporto tra le moli
• _aO₂ [mol_air] [Kmol_o] → esprime il rapporto tra le moli
• _aO₂ = Xo₂ [M_air] → rapporto tra a_O2 = ã_O2

Utilizzamento di ã_O2 in ogni in cui va considerato combustione con ossigeno puro in moda da poter considerare combustione in aria, che è solo al 21% ossigeno.

Dopo aver risolto il bilancio di massa (in ogni caso) arriviamo al bilancio energetico.

NB: spesso in questo corso tratteremo sistemi aperti, quindi il bilancio evidente sarà:

m₁ℎ₁ + m₂ℎ₂ + Ẇ + Q̇

• → bilancio per sistema aperto con flusso

HP: monodimensionale e stazionario.

ℎ₀ = entalpia di formazione.

• ℎ − ℎ₀ + Δℎ(p, T)

In formulazione isobarica, L'entalpia di un fluido differisce dall'entalpia di formazione o lo zero quando che è funzione di pressione e tempo.

ℎ − ℎ₀ + ∫ C_p(T)dT

T₀

• In caso di gas ideali, Δℎ è funzione della sola temperatura e non di p.

Si calcola con ∫ int: tra lo T₀ (in cash solito di formazione) e la temperatura effettiva dove consegue.

In caso di gas reali, C_p risulta costante quindi:

ℎ_s + ℎ₀ + C_p(−T₀)_eff

• in caso di Δrandom o considerate: è l'entalpia degli entalpii. Per gas ideali introdos

*una* approssimazione sufficiente è accettabile.

• ENTALPIA DI FORMAZIONE (ℎ₀).

È definito per ciascun elemento chimico per ottenere un valore di riferimento arbitrario a condizioni atmosferiche arbitrarie. Configurazione e situazione che le specie pure alla loro formazione si trovi in cond.standaro (25p dati) hanno un'entalpia di formazione pari a zero.

H₂ → H₂, O → O₂, N → N₂ defecto stabiliti.

L'entalpia di formazione di tutte le altre specie chimiche possono essere ottenente sperimentalmente.

Esempio: calcolo dell'entalpia di formazione della CO₂

1 mole C ( 25c )

alimentato atmosferico

1 mole CO₂ (25c) = Q=393,5 iluminum acid muabilava

Si prende un’unità molecolare d'ossigeno e di consono svolge in (calculo in un redotatos

• le successive vengono raffreddata a 25c e si calcola il valore estimato

10/3/20

Lezione 2 (Emissioni)

• Emissioni in atmosfera di prodotti di combustione:
  • Emissioni gassose (NO_x, SO₂, CO, HC)
  • Emissioni solide (PM)
• Emissioni in acqua
• Emissioni per trasporto di contaminanti (endotermici o esotermici)
• Scarico di calore acque albue (in aria o in acqua)
• Altri impianti produttivi solidi, regionali...

Concentrazione degli inquinanti nei fumi di scarico:

1. Il primo modo per esprimere queste concentrazioni è in base volumetrica che è equivalente a:
   • base volume pollice in uso ideale in volume e che sono un paramente professionale.
2. Perchè gli inquinanti espressi in concentrazione acelloggia non si utilizzano in frazioni moli
   • per esprimere la loro concentrazione ma utilizzare le PPM pari por milione (ppmv)
3. Non è un modo ideale per esprimere le concentrazione (M pari solido).

Conversione dei vari di misura: (Conversion Two Approach T & Z)

X_mix [Kmol/m³] [Kg/Kmol]

X_mix [Kg/m³] [Nm³ Kmol/m³]

M/22,4