Impianto a Vapore 7 - Esame Sistemi energetici

Esame sistemi energetici: impianto a vapore

Introduzione

Un impianto a vapore presenta tre gruppi di preriscaldamento: uno per l'alta pressione, uno per la media pressione e uno per la bassa pressione. La pressione al condensatore è pari a 5 kPa, mentre quella in caldaia raggiunge 12500 kPa. In ingresso alla turbina ad alta pressione si ha una temperatura di 600 ℃. Si ha una pressurizzazione di 6000 kPa allo scarico dell'alta pressione e di 600 kPa in uscita dalla turbina di media pressione.

Sistema di portate spillate

Il sistema prevede cinque portate spillate: una per l'alta pressione, estratta a 8000 kPa; una per la media pressione, estratta a 800 kPa; e tre per la bassa pressione, estratte rispettivamente a 200 kPa, 100 kPa e 50 kPa. Sono inoltre noti i rendimenti: 0,88 per l'alta pressione (HP), 0,90 per la media pressione (MP), e 0,92 per la bassa pressione (LP). Le pompe possono essere ritenute ideali.

Un degasatore raccoglie inoltre i drenaggi e una portata spillata dalla bassa pressione, oltre all'acqua di alimentazione. Sono note le relazioni che legano le temperature agli scambiatori a superficie, dato che la portata al condensatore è pari a 200 kg/s e che il suo Range è pari a 10 ℃.

Calcoli richiesti

• Calcolo dei punti del ciclo
• Rendimento del sistema (diretto e indiretto)
• Grado di rigenerazione
• 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 di p=0,05 e x=0, si ottengono tutte le altre grandezze di interesse.

Proprietà termodinamiche all'uscita del condensatore

• T₁ = 32,88 ℃
• 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

12 – Uscita pompa post condensatore

Essendo le trasformazioni interne agli scambiatori isobare, il livello di pressurizzazione imposto dalla pompa deve essere pari a quelli in esercizio nel degasatore, il quale viene inoltre alimentato dalla prima portata spillata alla media pressione e dai drenaggi dei preriscaldatori dell'alta pressione. Potendo inoltre considerare il lavoro di compressione isentropico, è facile dedurre lo stato termodinamico tramite i valori di pressione e di entropia.

Proprietà termodinamiche all'uscita della pompa post condensatore

• T₂ = 32,9 ℃
• h₂ = 138,02 kJ/kg
• s₂ = 0,4765 kJ/(kg ∙ K)
• v₂ = 0,001005 m³/kg
• u₂ = 137,82 kJ/kg
• ρ₂ = 994,7867 kg/m³

Una volta compressa, il flusso risulta nelle condizioni di liquido sottoraffreddato.

5 – Uscita degasatore

All'uscita del degasatore si ha liquido saturo alla stessa pressione delle portate in ingresso, pertanto è possibile dedurre le altre proprietà.

Proprietà termodinamiche all'uscita del degasatore

• T₅ = 120,21 ℃
• h₅ = 504,68 kJ/kg
• s₅ = 1,5302 kJ/(kg ∙ K)
• v₅ = 0,001061 m³/kg
• u₅ = 504,52 kJ/kg
• ρ₅ = 942,9267 kg/m³

6 – Uscita pompa post degasatore

La pompa viene ritenuta ideale ed impone la pressione in esercizio all'interno della caldaia, essendo le trasformazioni interne ai preriscaldatori isobare. Sarà quindi sufficiente valutare le caratteristiche del flusso tramite i valori di pressione e di entropia.

Proprietà termodinamiche all'uscita della pompa post degasatore

• T₆ = 121,25 ℃
• h₆ = 517,74 kJ/kg
• s₆ = 1,5302 kJ/(kg ∙ K)
• v₆ = 0,001055 m³/kg
• u₆ = 504,56 kJ/kg
• ρ₆ = 948,155 kg/m³

Una volta compressa, il fluido risulta nelle condizioni di liquido sottoraffreddato.

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

All'uscita dell'economizzatore si ha liquido saturo pronto per il passaggio di fase che avviene nell'evaporatore. Essendo inoltre gli scambi termici interni alla caldaia isobari, si ha una pressione pari a 125.

Proprietà termodinamiche all'uscita dell'economizzatore / ingresso evaporatore

• T₉ = 327,82 ℃
• h₉ = 1511,46 kJ/kg
• s₉ = 3,5289 kJ/(kg ∙ K)
• v₉ = 0,001546 m³/kg
• u₉ = 1492,22 kJ/kg
• ρ₉ = 646,759 kg/m³

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

All'uscita dell'evaporatore si ha vapore saturo pronto ad esser surriscaldato prima dell'ingresso in turbina. Pertanto, il flusso in ingresso al surriscaldatore ha titolo unitario ed un livello di pressurizzazione pari a quello in esercizio in caldaia.

Proprietà termodinamiche all'uscita dell'evaporatore / ingresso surriscaldatore

• T₁₀ = 327,82 ℃
• h₁₀ = 2674,49 kJ/kg
• s₁₀ = 5,4642 kJ/(kg ∙ K)
• v₁₀ = 0,013502 m³/kg
• u₁₀ = 2505,79 kJ/kg
• ρ₁₀ = 74,0637 kg/m³

11 – Uscita surriscaldatore (SH) / Ingresso turbina HP

In ingresso all'alta pressione sono note sia la temperatura del fluido, pari a 600 ℃, sia la sua pressione, pari a 180, essendo il processo di riscaldamento interno alla caldaia isobaro: il flusso è nelle condizioni di vapore surriscaldato.

Proprietà termodinamiche all'uscita del surriscaldatore / ingresso turbina HP

• T₁₁ = 600 ℃
• h₁₁ = 3604,77 kJ/kg
• s₁₁ = 6,7829 kJ/(kg ∙ K)
• v₁₁ = 0,030305 m³/kg
• u₁₁ = 3225,95 kJ/kg
• ρ₁₁ = 32,9974 kg/m³

15 – Ingresso spillamento al preriscaldatore "A"

Le proprietà della portata spillata e diretta allo scambiatore rigenerativo a superficie "A" possono essere dedotte tramite la pressione nota di 80 e entalpia ricavabile tramite la definizione di rendimento.

Proprietà all'ingresso spillamento al preriscaldatore "A"

• T₁₅ = 523,19 ℃
• h₁₅ = 3456,466 kJ/kg
• s₁₅ = 6,7991 kJ/(kg ∙ K)
• v₁₅ = 0,043365 m³/kg
• u₁₅ = 3109,55 kJ/kg
• ρ₁₅ = 23,0603 kg/m³

La portata spillata all'alta pressione risulta vapore surriscaldato.

12 – Uscita turbina HP / Ingresso turbina MP

Le proprietà all'uscita della turbina ad alta pressione possono essere dedotte tramite la pressione nota di 60 e entalpia ricavabile tramite la definizione di rendimento.

Proprietà all'uscita della turbina HP / ingresso turbina MP

• T₁₂ = 476,76 ℃
• h₁₂ = 3367,42288 kJ/kg
• s₁₂ = 6,8094 kJ/(kg ∙ K)
• v₁₂ = 0,054601 m³/kg
• u₁₂ = 3039,82 kJ/kg
• ρ₁₂ = 18,3146 kg/m³

La portata in uscita dall'alta pressione risulta vapore surriscaldato.

18 – Ingresso spillamento al preriscaldatore "B"

Le proprietà della portata spillata e diretta allo scambiatore rigenerativo a superficie "B" possono essere dedotte tramite la pressione nota di 8...

Il testo continua con la descrizione delle condizioni e delle proprietà termodinamiche nei vari punti del ciclo e negli scambiatori. Assicurati di mantenere tutte le informazioni fornite e di seguire le strutture e le numerazioni indicate per non tralasciare dettagli cruciali.