Impianto a Vapore 5 - Esame Sistemi energetici

Esame sistemi energetici: Impianto a vapore

Descrizione dell'impianto

Un impianto a vapore è costituito da due scambiatori rigenerativi a superficie, uno per l’alta pressione e uno per la bassa pressione, alimentati da uno spillamento ciascuno. Uno è estratto dalla turbina ad alta pressione e l’altro dalla turbina a bassa pressione, infine da un degasatore pressurizzato. Si ha inoltre una pressione di condenser e di caldaia. Sono noti i rendimenti: per l’alta pressione (HP), per la media pressione (MP) e per la bassa pressione (LP). Le pompe possono essere considerate ideali. All'ingresso della turbina ad alta pressione si ha una temperatura di 550 °C. Sapendo che la portata al condensatore è pari a 200 kg/s e che il suo range è 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.

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.

• 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

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 ed il flusso diretto poi al degasatore, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a 8 bar. Si noti che anche il processo di miscelazione tra la portata in arrivo dal condensatore e quella spillata alla bassa pressione deve avvenire alla stessa pressione. Le due proprietà termodinamiche consentono di definire completamente lo stato.

• T₂ = 32,91 °C
• h₂ = 138,63 kJ/kg
• s₂ = 0,4765 kJ/(kg·K)
• v₂ = 0,001005 m³/kg
• u₂ = 137,82 kJ/kg
• ρ₂ = 995,047 kg/m³

Dopo la compressione il fluido risulta essere nelle condizioni di liquido sottoraffreddato.

Uscita degasatore

Conoscendo il livello di pressurizzazione del degasatore e sapendo che all’uscita si ha liquido saturo, è possibile definire completamente lo stato termodinamico grazie al valore della pressione, pari a 8 bar, e del titolo che risulta essere nullo.

• T₃ = 170,41 °C
• h₃ = 721,02 kJ/kg
• s₃ = 2,0462 kJ/(kg·K)
• v₃ = 0,001115 m³/kg
• u₃ = 720,22 kJ/kg
• ρ₃ = 897,008 kg/m³

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 ed il flusso diretto poi in caldaia, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a 125 bar. Le due proprietà termodinamiche consentono di definire completamente lo stato.

• T₄ = 171,94 °C
• h₄ = 734,11 kJ/kg
• s₄ = 2,0462 kJ/(kg·K)
• v₄ = 0,001108 m³/kg
• u₄ = 720,26 kJ/kg
• ρ₄ = 902,710 kg/m³

Dopo la compressione il flusso entra nello scambiatore nelle condizioni di liquido sottoraffreddato.

Uscita economizzatore (ECO) / Ingresso evaporatore (EVA)

All’uscita dell’economizzatore il flusso entra nell’evaporatore in condizioni di liquido saturo, con pressione di esercizio pari a 125 bar e titolo nullo.

• T₂₀ = 327,82 °C
• h₂₀ = 1511,46 kJ/kg
• s₂₀ = 3,5289 kJ/(kg·K)
• v₂₀ = 0,001546 m³/kg
• u₂₀ = 1492,22 kJ/kg
• ρ₂₀ = 646,759 kg/m³

All’uscita dell’economizzatore (ECO) inizia il passaggio di fase a temperatura costante.

Uscita evaporatore (EVA) / Ingresso surriscaldatore (SH)

In uscita dall’evaporatore si ha vapore saturo con titolo unitario alla pressione di esercizio in caldaia.

• T₅ = 327,82 °C
• h₅ = 2674,49 kJ/kg
• s₅ = 5,4642 kJ/(kg·K)
• v₅ = 0,013502 m³/kg
• u₅ = 2505,79 kJ/kg
• ρ₅ = 74,0637 kg/m³

Uscita surriscaldatore (SH) / Ingresso turbina HP

All’uscita del surriscaldatore si ha vapore surriscaldato, ossia ad una temperatura superiore a quella di saturazione a cui avviene il passaggio di fase, pronto ad essere elaborato nella turbina ad alta pressione. Lo stato è completamente determinabile grazie alla pressione, pari a quella in esercizio in caldaia, e alla temperatura.

• T₆ = 550 °C
• h₆ = 3476,55 kJ/kg
• s₆ = 6,6317 kJ/(kg·K)
• v₆ = 0,028033 m³/kg
• u₆ = 3126,13 kJ/kg
• ρ₆ = 35,6717 kg/m³

Uscita turbina HP

Allo scarico della turbina ad alta pressione, parte della portata viene utilizzata per continuare il processo.