Impianto a Vapore 3 - Esame Sistemi energetici

Impianto a vapore

Caratteristiche generali dell'impianto

Un impianto a vapore presenta uno scambiatore rigenerativo a superficie, alimentato da un primo spillamento che viene estratto a 7000 kPa dalla turbina ad alta pressione, e un degasatore, alimentato da un secondo spillamento che viene estratto a 1500 kPa dalla turbina di media pressione. La pressione al condensatore è pari a 5 kPa, mentre quella in ingresso alla caldaia raggiunge un valore di 30000 kPa. L’ingresso del flusso in ciascuna turbina avviene a 600°C.

Rendimenti delle turbine

Sono inoltre noti i rendimenti: per l'alta pressione (η = 0,91), per la media pressione (η = 0,92), per la bassa pressione (LP = Low Pressure). Le pompe possono essere ritenute ideali. Sapendo che la portata in ingresso alla turbina di alta pressione è pari a 350 kg/s e che il range del condensatore è pari a 10°C, si richiede il calcolo dei punti del ciclo, il rendimento del sistema (diretto e indiretto), il grado di rigenerazione e la portata di refrigerante necessaria.

1 – Uscita condensatore

All'uscita del condensatore si ha liquido allo stato di saturazione, ossia con titolo nullo. Nota inoltre la pressione di esercizio, è possibile definire completamente lo stato termodinamico del fluido. Entrando nel calcolatore con i valori p = 0,05 bar e x = 0 si ottengono tutte le altre grandezze di interesse.

• Pressione: 0,05 bar
• Titolo: 0
• Temperatura: 32,88°C
• Entalpia specifica: 137,77 kJ/kg
• Entropia specifica: 0,4765 kJ/(kg·K)
• Volume specifico: 0,001005 m³/kg
• Energia interna specifica: 137,84 kJ/kg
• Volume specifico: 994,7004 kg/m³

2 – Uscita pompa post condensatore

La pompa viene ritenuta ideale, pertanto l’entropia in uscita sarà identica a quella in ingresso. Lo stato termodinamico del fluido è completamente determinabile poiché è noto anche che la pressione coincide con quella in esercizio all'interno del degasatore. Le portate in ingresso e in uscita dal degasatore devono possedere lo stesso livello di pressurizzazione.

• Pressione: 15 bar
• Titolo: 0
• Temperatura: 32,93°C
• Entalpia specifica: 139,33 kJ/kg
• Entropia specifica: 0,4765 kJ/(kg·K)
• Volume specifico: 0,001005 m³/kg
• Energia interna specifica: 137,82 kJ/kg
• Volume specifico: 995,3503 kg/m³

Il flusso in uscita dalla pompa entra nel degasatore nelle condizioni di liquido sottoraffreddato, ossia a una temperatura inferiore a quella di saturazione a cui avviene il passaggio di fase.

4 – Ingresso turbina HP

In caldaia il riscaldamento avviene in modo isobaro, sono pertanto note pressione e temperatura in ingresso alla turbina ad alta pressione. Per valutare lo stato termodinamico sarà sufficiente entrare nel calcolatore con i valori di pressione (p = 300 bar) e di temperatura (T = 600°C).

• Pressione: 300 bar
• Titolo: 1
• Temperatura: 600°C
• Entalpia specifica: 3446,87 kJ/kg
• Entropia specifica: 6,2374 kJ/(kg·K)
• Volume specifico: 0,011444 m³/kg
• Energia interna specifica: 3103,55 kJ/kg
• Volume specifico: 87,3804 kg/m³

All'ingresso della turbina si ha vapore surriscaldato.

5 – 12 – Uscita turbina HP

All’uscita della turbina ad alta pressione una parte della portata viene spillata ed inviata allo scambiatore rigenerativo a superficie, la restante frazione viene risurriscaldata ed immessa nella turbina di media pressione. Essendo nota la pressione in uscita pari a 70 bar, sarà sufficiente determinare un'altra proprietà per poter definire lo stato termodinamico. Si ricorre a tal proposito al concetto di rendimento.

• Pressione: 70 bar
• Entropia isentropica: 6,2374 kJ/(kg·K)
• Entalpia isentropica: 3021,28 kJ/kg
• Entalpia reale: 3063,839 kJ/kg

Adesso è possibile determinare le altre proprietà.

• Pressione: 70 bar
• Titolo: 1
• Temperatura: 365,75°C
• Entalpia specifica: 3063,839 kJ/kg
• Entropia specifica: 6,3048 kJ/(kg·K)
• Volume specifico: 0,036817 m³/kg
• Energia interna specifica: 2806,13 kJ/kg
• Volume specifico: 27,1613 kg/m³

Di conseguenza:

• Pressione: 70 bar
• Titolo: 1
• Temperatura: 365,75°C
• Entalpia specifica: 3063,839 kJ/kg
• Entropia specifica: 6,3048 kJ/(kg·K)