Appunti Impianti Energetici

IMPIANTI ENERGETICI

Termodinamica degli impianti a vapore

Caratteristiche:

• buon rendimento
• dimensioni tipiche decine centinaia di MW (grossa taglia)
• costi unitari dell'energia prodotta bassi poiché < €/kWh

grandi inerzie termiche - lente variazioni di carico - ideali a generare il carico di base della richiesta elettrica

Ottimizzare nel funzionamento reale devono evitare variazioni di P_ee

detette dalle richieste delle utenze e da ragioni economiche

Queste variazioni di carico sono interamente presenti nel "mercato libero" e vengono realizzate sulla base di diagrammi di carico.

Ciclo Rankine

Ciclo di riferimento per questi impianti

Componenti: generatore di vapore turbine con detentore, condensatore, pompa

Il processo di combustione che avviene nel generatore di vapore prevede fluidi che NON vengono in contatto con il fluido motore (acqua/vapore). Per questo il risparmio di energia e' essenziale.

Parametri di progettazione

rendimento termico

P_u potenza ai morsetti del generatore elettrico

Q_u flusso di calore effettivo trasferito al fluido di

lavoro tramite il processo di combustione

consumo specifico di vapore

CSV = _ṁv / _Pu

Ciclo di Carnot

ciclo composto da 4 trasformazioni reversibili:

una compressione e una espansione adiabatiche isotropiche

[0-1-2-3] e due trasformazioni isoterme una in cui

il fluido riceve calore a P,R costante [1-2] e una

in cui lo rilascia a P,R costante, condensando

parzialmente [3-0]

Rendimento η = _L / _QH = _QH-QL / _QH

L = lavoro ottenuto dall'espansione in turbina

Q_H energia termica fornita a T_H

Q_L energia termica rilasciata a Q_L

Scelta la configurazione geometrica dello scambiatore e

definito l’uso del coefficiente di scambio termico

globale k, può essere calcolata l'area della superficie

di scambio termico che consente di scambiare il flusso

termico ̇=K⋅S⋅FgΔTmc

Esempio

• P = 600 kW
• v vapore = 7500 _m³/h

→ unico risulta infe

rispetto a quello intesta

dal bilancio termico

se la cui temperatura ti

cresce T₀ cresce

P_e cresce, diventando

maggiore del valore

deseletto

→ l'abbassamento di P_e s. fini di un aumento

del rendimento è possibile solo e quella disponibile

per la condensazione

- acqua più fredda o in maggior quantità

- un incremento della superficie di scambio

del condensatore

b) Aumento della pressione di evaporazione

- vantaggioso al fine di aumentare l'influenza in questo aumenta il rapporto tra l’area A e l’area A+B

- possibile fino ad un valore della temperatura di

evaporazione di circa 10% inferiore alla temperatura critica

ciclo con spillamenti di vapore (rigenerazione interna)

- preriscaldamento dell'acqua di alimentazione tramite spillamenti di vapore → sorgente termica interna

• riduce l'apporto di calorie dell'esterno a temperature basse
• aumenta il η del ciclo

- iniettore → miscelazione di acqua con vapore

- successive pompe per far fluire la miscela

OSS: non bisogna mai usare l'energia a carico dell'economizzatore, però resta questa quota!

- umidificazione del vapore sottorafreddato (punti 12 e 13) dai vapori usciti dal preriscaldatore o superficie di scambio a minor pressione

• 6 → 7 e 3 → 10, uguaglianza metodo per chiarezza del disegno

La circolazione naturale è resa possibile dalla differenza media di densità del fluido nei tubi di ascesa e di discesa

Δp = [ ρ_a - ρ_d ] g H

** H = differenza di quota tra il collettore inferiore e il corpo cilindrico superiore

** ρ_d = densità media del fluido nella colonna discendente coincidente con quota del liquido saturo

** ρ_a = densità media del fluido nei tubi di ascesa che è costituito da una miscela bifase acqua-vapore

N.B.: La frazione in massa del vapore alla bocchetta non può superare il 15-20%

** per avere sempre che cioè che lascia il corpo cilindrico pari a vapore che entra nel GV è necessario che all’interno del GV ricicli una im...qua

più grande e tale da 15÷20 volte um...im...union!

Oss.: ρ_a prop cresce fin la diminuisce quindi H dovrà essere maggiore per avere circolazione naturale

riducendo il diametro aumentando la pressione _a=corrim)

s=Pd/2∨

- Es. d = 30 mm v max 40 m/s acciai e cuomis

P = 200 bar ↳ d = 12 mm

possibili da realizzare

Parei tubieri: l’evaporatore possono essere realizzati con andamento sub-verticale evitando alcune parti per aumentare la sip di scambio a parità di differenza sup orizzontale

Sistemi di circolazione acqua vapore

GV a circolazione la portata che attraversa i tre:

vaporizzatore: evaporatore è maggiore di quella che

attraversa il economizzatore (pre-riscaldatore) e i surriscaldatori.

• Bilancio di portata col vel. di controllo del GV.
• Bilancio di portata al corpo cilindrico.

Forza motrice della circolazione

16 GV a circolazione naturale la forza motrice è data

dalla differenza di ρ del fluido nei tubi. Di discesa

(liquido saturo e areasi miscela liquido vapore, e

dalla differenza di quota H tra il CC e la tuazione

inferiore di distribuzione dell'acqua nei tubi

(e la pump è maggiore sono richieste caldaie più sole)

Δp₀ = (ρ_f - ρ₄)_gH

• Il GV viene dimensionato scegliendo:
• il diametro
• ...e di tub. vaporizzatori.
• altezza del GV

tali da ottenere la pressione (e quindi la temperatura)

desiderata nel CC, facendo in modo che queste scelte

comportino velocità all'interno dei tubi sufficientemente alte

affinché non si formino veli di acqua e vapori anch'essi in

efficienza delle scambio, tenendo però conto dell'accumulatore

termico pre-riscaldatori tubi

Esempi

• p=10 bar è consigliata una γ_3BV pari all’80%.
• p=140 bar è consigliata una γ_3BV pari a 65%.

una γ_3BV 55-80% consente di mantenere un rapporto favorevole tra perdite di carico e Δp legata alla circolazione naturale, in modo da avere una velocità in grado di garantire il raffreddamento delle parti.

Tipi di sistemi di circolazione

1. Circolazione naturale

adottata da quasi tutte le caldaie industriali subcritiche, fino a qualche bar per le quali il rapporto tra la gc in acqua in vapore è 2,5.

Per pressioni maggiori sono necessari tubi di calore di minore diametro per ottenere maggiori velocità.

Il rischio di surriscaldamento perché aumenta il coefficiente di scambio termico.

Bilancio della camera di combustione (cde) del GV

Hp. cde adiabatica

Viene calcolata la temperatura dei gas di combustione

prescindendo dal flusso di calore che viene rimosso

dal aero-evapo da fluire ai fut. impianti o da

investire la parità della cde.

Bilancio di calore:

equazione della cde

ʠp = ṃ₀ iti₀ ho + ig Cp (Tg - To) - mu Cp a (Ta - To)

• ʠ: flusso di calore
• y₀: gas di combustione
• ŋ: rendimento di combustione
• a: aria
• ṃ: portata combustibile
• To: T di riferimento
• Hs: potere calorifico

- Tg - To = [ {} (Ta - To) { }/ Cp g {} + M / Cp a + Hs {ine x iti d/c fg }

ṃ₀ = ṃ a

ṃa = ɛ ṃ a

ɛ = ɛgħ = ɛ Δ st

• a': a quantita stechiometrica di aria
• ɛ: eccesso di aria
• Δst rapporto stechiometrico aria/combustibile

Tg To = (Ta - To) {̟ Cp g / Cp g } + {M n Cp} + Hs / { { Δʠ + 1 } Cp g }

OSS:

Noti: Ta, ɛ e Δst è possibile risolvere Tg

& T di È os x Tg

• x: i reagenti sono ne condizioni stechiometriche e ɛg = 1
• Tg paralla di adiabatica di combustione
• semp di riseduea dei fium. di 5 secaci
• nel caso drlo Ig = stc o/c (a dec K)