Impianto a Vapore 4 - Esame Sistemi energetici

Esame sistemi energetici: impianto a vapore

Descrizione dell'impianto

Un impianto a vapore è costituito da due scambiatori rigenerativi a superficie, alimentati da uno spillamento ciascuno: l'uno estratto dalla turbina ad alta pressione, l'altro estratto dalla turbina a bassa pressione, e infine da un degasatore alimentato da un terzo spillamento in uscita dalla turbina di media pressione. Si ha una pressurizzazione di 175 al condensatore e di ingresso all’economizzatore della caldaia.

Sono inoltre noti i rendimenti:

• Alta pressione: 0,88
• Media pressione: 0,90
• Bassa pressione: 0,92

Le pompe possono esser ritenute ideali. All’ingresso delle turbine ad alta e media pressione si ha una temperatura di 550 °C. Sapendo che la portata al condensatore è pari a 185 kg/s e che il suo Range è pari a 10, 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 e x=0 si ottengono tutte le altre grandezze di interesse:

• T₁ = 32,88 °C
• h₁ = 137,77 kJ/kg
• s₁ = 0,4765 kJ/(kg·K)
• v₁ = 0,001005 m³/kg
• u₁ = 137,84 kJ/kg
• ρ₁ = 994,7004 kg/m³

3 – Uscita degasatore

All’uscita del degasatore si ha liquido saturo alla pressione pari a quella delle portate in ingresso. Conoscendo il livello di pressurizzazione dello scambiatore a miscela è possibile definire completamente lo stato termodinamico.

• T₃ = 212,38 °C
• h₃ = 908,62 kJ/kg
• s₃ = 2,447 kJ/(kg·K)
• v₃ = 0,001177 m³/kg
• u₃ = 906,26 kJ/kg
• ρ₃ = 849,8012 kg/m³

2 – Uscita pompa post condensatore

La pompa è ritenuta ideale pertanto è lecito considerare costante l’entropia del fluido durante la trasformazione: più precisamente s₂ = s₁. Inoltre, essendo le trasformazioni interne allo scambiatore a superficie isobare e il flusso diretto poi al degasatore, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a p=20.

• T₂ = 32,94 °C
• h₂ = 139,83 kJ/kg
• s₂ = 0,4765 kJ/(kg·K)
• v₂ = 0,001004 m³/kg
• u₂ = 137,82 kJ/kg
• ρ₂ = 995,5666 kg/m³

Il fluido esce dalla pompa in condizioni di liquido sottoraffreddato.

4 – Uscita pompa post degasatore

La pompa è ritenuta ideale pertanto è lecito considerare costante l’entropia del fluido durante la trasformazione: più precisamente s₄ = s₃. Inoltre, essendo le trasformazioni interne allo scambiatore a superficie isobare e il flusso diretto poi in caldaia, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a p=175.

• T₂ = 215,19 °C
• h₂ = 926,73 kJ/kg
• s₂ = 2,447 kJ/(kg·K)
• v₂ = 0,001164 m³/kg
• u₂ = 906,35 kJ/kg
• ρ₂ = 858,7555 kg/m³

Il fluido esce dalla pompa in condizioni di liquido sottoraffreddato.

5 – Uscita surriscaldatore / ingresso turbina HP

I processi di scambio termico che avvengono in caldaia sono isobari, pertanto è nota la pressione in ingresso alla turbina HP, pari a 175. Anche la temperatura a seguito del surriscaldamento è nota e pari a 550 °C.

• T₅ = 550 °C
• h₅ = 3423,7 kJ/kg
• s₅ = 6,4266 kJ/(kg·K)
• v₅ = 0,019305 m³/kg
• u₅ = 3085,87 kJ/kg
• ρ₅ = 51,8002 kg/m³

Il fluido entra nell’alta pressione nelle condizioni di vapore surriscaldato.

6 – 10 – Uscita turbina HP

Nota la pressione di estrazione dello spillamento pari a 60, è possibile determinare una seconda proprietà termodinamica in uscita ricorrendo al concetto di rendimento.

s₆ = s₅ = 6,4266 kJ/(kg·K)

h₆ = h₅ + η_THP (h_{6 is} - h₅)
η_THP = 0,88

• T₆ = 385,34 °C
• h₆ = 3140,1728 kJ/kg
• s₆ = 6,486 kJ/(kg·K)
• v₆ = 0,045964 m³/kg
• u₆ = 2864,4 kJ/kg
• ρ₆ = 21,7562 kg/m³

Facilmente si può determinare la potenza specifica fornita alla turbina, ossia la potenza per unità di portata: h₅ - h₆ = 283,5272 kJ/kg. Ovviamente anche la portata spillata ed inviata allo scambiatore a superficie presenta le medesime proprietà.