Impianto a Vapore 6 - Esame Sistemi energetici

Esame sistemi energetici: impianto a vapore

Caldaia e scambiatori rigenerativi

Un impianto a vapore è costituito da due scambiatori rigenerativi a superficie con pressioni rispettivamente per l’alta pressione e per la media pressione, alimentati con portate spillate rispettivamente dalla turbina ad alta e media pressione. In ingresso alla caldaia la pressurizzazione è pari a 15000 kPa, mentre quella al condensatore, alimentato anche dai drenaggi delle portate spillate, è pari a 5 kPa. Sono inoltre noti i rendimenti: per l’alta pressione (HP High Pressure 0,90), per la media pressione (MP Medium Pressure 0,92), per la bassa pressione (LP Low Pressure). Le pompe possono essere ritenute ideali. La temperatura del flusso in ingresso all’alta, alla media e alla bassa pressione è pari a 550 °C.

Relazioni termiche e stato del fluido

Sono inoltre note le relazioni che legano le temperature agli scambiatori a superficie: T_{feedwater out} = T_{sat steam} - DT_sr, T_{condensed steam} = T_{sat steam} - DT_sr, essendo T_{feedwater out} e T_{condensed steam} rispettivamente la temperatura di uscita dallo scambiatore dell’acqua di alimentazione e del vapore condensato, e T_{sat steam} la temperatura di saturazione del vapore che condensa alla pressione di esercizio. Sapendo che la portata al condensatore è pari a 150 kg/s e che il suo range 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 e x = 0 si ottengono tutte le altre grandezze di interesse:

• p = 0.05
• x = 0
• 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

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 ed il flusso diretto poi in caldaia, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a 150 kPa. Le due proprietà termodinamiche consentono di definire completamente lo stato:

• p = 150
• x = 0
• T₂ = 33.26 °C
• h₂ = 152.85 kJ/kg
• s₂ = 0.4765 kJ/(kg·K)
• v₂ = 0.000999 m³/kg
• u₂ = 137.87 kJ/kg
• ρ₂ = 1001.1096 kg/m³

A seguito della compressione il fluido risulta essere nelle condizioni di liquido sottoraffreddato, ossia ad una temperatura inferiore a quella di saturazione.

5 – Uscita economizzatore (ECO) / Ingresso evaporatore (EVA)

All’uscita dell’economizzatore il flusso entra nell’evaporatore in condizioni di liquido saturo, con pressione di esercizio di 150 kPa e titolo nullo:

• p = 150
• x = 0
• T₅ = 342.16 °C
• h₅ = 1610.15 kJ/kg
• s₅ = 3.6842 kJ/(kg·K)
• v₅ = 0.001657 m³/kg
• u₅ = 1585.17 kJ/kg
• ρ₅ = 603.5829 kg/m³

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

6 – Uscita evaporatore (EVA) / Ingresso surriscaldatore (SH)

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

• p = 150
• x = 1
• T₆ = 342.16 °C
• h₆ = 2610.86 kJ/kg
• s₆ = 5.3109 kJ/(kg·K)
• v₆ = 0.010341 m³/kg
• u₆ = 2455.79 kJ/kg
• ρ₆ = 96.706 kg/m³

7 – 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:

• p = 150
• x = 1
• T₇ = 550 °C
• h₇ = 3450.47 kJ/kg
• s₇ = 6.523 kJ/(kg·K)
• v₇ = 0.022945 m³/kg
• u₇ = 3106.3 kJ/kg
• ρ₇ = 43.5824 kg/m³

All’uscita del surriscaldatore il fluido entra in turbina nelle condizioni di vapore surriscaldato, ossia ad una temperatura superiore a quella di saturazione a cui avviene il passaggio di fase.

11 – Uscita turbina HP

Allo scarico della turbina...