Macchine e sistemi energetici

MC

l'alto) finché eliminando totalmente i miei tubi rientro nelle condizione adiabatiche.

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C4 aum LHV, C5 aum H schema finale

R

martedì 5 aprile 2016 12:08

CASO 4: Aumentiamo LHV.

Se io cambio combustibile e ne prendo uno con più alto LHV a

parità delle altre condizioni (eccesso d'aria e superficie

irraggiata) posso riproporre il ragionamento ma devo spostare

verso l'alto la soglia arancione (Hr+epsilonLHV) e a questo punto

la mia q(irr) avrà lo stesso andamento ma partendo da più in

alto.

A parità di eccesso d'aria e altre condizioni, aumentando il

potere calorifico aumenta la Tmc.

CASO 5 : incremento entalpia dei reagenti.

Lo stesso risultato lo otterrei anche incrementando l'entalpia

dei reagenti. Otterrei in questo caso una costruzione grafica

uguale a quella appena fatta (che ottengo incrementando LHV).

Se dunque riscaldo l'aria prima che partecipi a un processo di

combustione posso ottenere un incremento della Tmc e quindi

una maggior capacità dei fumi di poi cedere calore per

convezione nella parte che non abbiamo ancora disegnato e che

rimane a valle della camera di combustione. Tutte queste considerazioni partono sempre

dall'equazione e da come la si smanetta

SCHEMA FINALE Il q irraggiato non è facile da dire come

si modifica in questo caso perché

dipende dalla pendenza delle due

curve, bisogna vedere caso per caso.

Questo significa che sono

spariti i tubi vaporizzatori

all'interno della caldaia

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Valutazioni sui problemi legati alla T MC

martedì 5 aprile 2016 12:08

È meglio avere Tmc alte o basse?

Non c'è una risposta univoca a questa domanda.

COMBUSTIBILI CON BASSO LHV

Con combustibili poveri (basso potere calorifico) il problema è relativo alle T di combustione che sono troppo basse.

Con combustibili poveri intendiamo le biomasse solide, alcuni combustibili gassosi (eg biogas), i rifiuti o alcuni carboni. Il problema è che il basso potere calorifico

tiene basse le temperature, situazione aggravata dal fatto che per alcuni di questi combustibili (RSU e biomasse solide) ho anche bisogno di un elevato eccesso

d'aria. Due condizioni che concorrono a far si che la Tmc sia molto bassa. In alcuni casi è la legge che mi impone di attuare provvedimenti per alzare la Tmc.

Facciamo l'esempio della diossina (composto del cloro che si forma sotto gli 850 gradi ma i fumi devono stare oltre tale temperatura per un certo numero di

secondi quando immessi in atmosfera). Quando ho il rischio di formazione di diossina devo tenere su T . Per tenere su Tmc:

MC

Si abbassa la superficie irraggiata (cioè si tolgono dei tubi)

- Un altro rimedio è aumentare l'entalpia dei reagenti (si preriscalda l'aria cosi che la Tmc risalga un po')

- Se questi due rimedi non bastano, si aumenta l'LHV del combustibile addizionando il rifiuto con del gas naturale (processo di co-combustione). Cioè si unisce

- al nostro combustibile scalcagnato un po' di metano (è quello che accade nei termovalorizzatori che bruciano quella merda dei RSU!).

Tutti interventi che mi aiutano ad aumentare la temperatura media di combustione, perché con questi combustibili ho problemi se la temperatura è troppo bassa.

COMBUSTIBILI CON ALTO LHV

I combustibili fossili hanno invece il problema opposto (in particolare il gas, il petrolio, i carboni più ricchi, idrogeno) sono tutti combustibili con alto LHV e che

richiedono (se pensiamo ai combustibili gassosi) un basso eccesso d'aria. Si è ribaltata la situazione. Questi tendono ad avere Tmc molto alte.

Questo in linea di principio ci fa piacere per la qualità dello scambio termico, ma ci sono anche problemi di resistenza e depositi solidi della ceneri, che vengono

fuori dalla combustione di alcuni combustibili, che fondono oltre certe temperature.

Per i combustibili fossili si cerca quindi di limitare la Tmc che tenderebbe ad avere valori oltre quelli che ci consentono un'attività in sicurezza della nostra

macchina. Quello che posso fare è:

Aumentare la superficie irraggiata, fino a farla diventare la parete stessa dalla caldaia.

-

Non ci possiamo neanche servire dell'entalpia dei reagenti (vedremo che in questi combustibili tale entalpia aumenta ed è una terza causa di aumento di Tmc).

Notiamo poi che nell'espressione di q(irr) non solo S fa diminuire il valore ma il rapporto S/mc. In questo ragionamento devo aumentare questo rapporto. Una

volta che ho tappezzato completamente di tubi la mia caldaia, posso aumentare la superficie aumentando la dimensione della mia caldaia (a parità di quantità

di combustibile inserita). Sono costretto a fare grandi macchine altrimenti scappa la Tmc oltre i limiti che posso tollerare.

NB:

Ridurre il combustibile mi fa ridurre la potenza

dell'impianto quindi l'idea è fare la caldaia più grande

per aumentare Sirr e lasciare m costante.

C

Mi chiedo se potrei abbassare solo la temperatura di parete (graficamente si vede che farei abbassare la Tmc). Questa però è legata a questa relazione

dove il fluido caldo sono i fumi alla T e il fluido freddo è il vapore alla temperatura di vaporizzazione:

MC

La temperatura di vaporizzazione dipende dalla pressione di vaporizzazione. Quella temperatura e pressione saranno legate alle scelte fatte per ottimizzare

il rendimento del ciclo. Oltre al limite superiore di 374°C ho un limite inferiore. Infatti se io volessi potrei anche abbassarla ma portarla a 100°C ad esempio

vorrebbe dire portare la pressione di vaporizzazione a 1 bar (bye rendimento e lavoro specifico).

Tra alfa f (liquido bollente) e alfa c (fumi) alfa f è molto più grande.

Quindi si ha che e allora la temperatura di parete non la possiamo toccare perché ce la giochiamo subito con la pressione di vaporizzazione.

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Schema finale Caldaia e diagramma T-Q

martedì 5 aprile 2016 12:34

Questa informazione è da unire al circuito dell'acqua.

Il condotto è la nostra caldaia.

Sappiamo già che dove si verifica la combustione noi andiamo a metterci la nostra CC che è realizzata con tanti tubi (migliaia) verticali (blu) collegati in

parallelo e sono i tubi che tappezzano la nostra zona di combustione, questi si collegano a due tubi di diametro maggiore che chiamiamo collettori. I collettori

sono tubi di grosso diametro che mettono in collegamento il corpo cilindrico con i vaporizzatori.

L'acqua si muove dal basso verso l'alto, si raccoglie nel collettore, va nel corpo cilindrico, da li scende e alimenta il collettore inferiore.

Nella parte alta del corpo cilindrico prendiamo il vapore e lo mandiamo a scaldarsi nel surriscaldatore (viola), evidenziando questa volta che il tipo di scambio

è in equicorrente. Dopodiché lo mandiamo alla turbina.

Segniamo anche l'economizzatore (arancione).

La combustione avviene immersa dai vaporizzatori (noi abbiamo schematizzato un piano ma tutto quel blu racchiude un volume).

Quando i fumi lasciano questa zona e vanno verso il surriscaldatore viola, la T dei fumi è uguale alla Tmc, che era la temp media sulla superficie di controllo. I

fumi vanno a cedere calore al surriscaldatore e all'eco. Ta temperatura dei

Diagramma di scambio termico. fumi dopo SH

I fumi hanno un andamento segnato in rosso. Il tratto orizzontale

equivale al Q(irr) ricavato prima e un tratto con pendenza negativa

dove lo scambio termico è di tipo convettivo. La curva in Tb temperatura dei

quest'ultimo tratto non è una retta perché teniamo in conto che il cp fumi dopo

è variabile. l'economizzatore

Il fluido freddo (acqua) lo disegniamo facilmente (blu) perché la T nei

vaporizzatori è costante (Tv). Questo primo tratto di scambiatore è

esattamente ciò che sta avvenendo nella CC dove lo scambio

prevalente è per irraggiamento, ed è quello che abbiamo studiato

con riferimento alle T medie dei fumi. Il vaporizzatore si sviluppa e si

esaurisce all'interno della CC.

Ha poi inizio lo scambio convettivo quando i fumi lasciano il mio

parallelepipedo. Incontro prima un surriscaldatore e poi un

economizzatore con l'accortezza di aver disposto il surriscaldatore in

equicorrente.

La temperatura che i fumi hanno in corrispondenza della parte finale

di SH (Ta) la ritrovo nella sezione tra SH e Eco.

Dopo trovo l'Eco, che ha una temperatura T1=Tv e una NOTA:

T(ingresso)=T .

0 T è costate perché lo scambio termico è per irraggiamento e

L'eco è costruito in controcorrente, perché so che è la disposizione MC

quindi la sorgente del calore non si raffredda per il fatto di scaldare

migliore quando non ho problemi di temperatura. ciò che è intorno (e.g. sole).

La T dopo l'economizzatore la chiamiamo Tb. In realtà non abbiamo una zona dove tutto lo scambio termico è per

irraggiamento e una dove è solo convezione. C'è preponderanza

dell'irraggiamento quando la temperatura è alta perché la formula

4

del calore scambiato per irraggiamento presenta un T .

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Preriscaldatore d'aria

martedì 5 aprile 2016 12:34 Ta temperatura dei

fumi dopo SH Questa disposizione vuole sfruttare i vantaggi del controcorrente il

più possibile senza creare problemi per questioni temperatura di

parete (che indichiamo in marrone nel grafico).

Tb temperatura dei

fumi dopo Quando poi siamo nell'SH abbiamo a che fare con fumi e vapore

l'economizzatore (coeff scambio termico circa uguale, Tp circa a metà strada).

Se avessimo disposto l'SH in controcorrente, avremmo ottenuto una

Tp più elevata perché ci saremmo trovati il punto 3 a scambiare con i

fumi a temperatura T .

MC

Nel caso con SH controcorrente avrei avuto:

Se ci fermiamo qui Tb è la mia Tf che compare con segno negativo nel rendimento del generatore di vapore (nel calore sensibile dei fumi), cioè la temperatura

con cui i fumi vanno al camino. Da Tb in avanti tutto ciò che non recupero è potenza termica che disperdo dei fumi che si rispecchia in un valore più basso di

eta . Infatti quella Tb è la Tf che compare nel rendimento del generatore di vapore.

GV

Ho però la possibilità di abbassare Tb ulteriormente.

Usiamo un preriscaldatore di aria, un ultimo fascio di scambio dove si preriscalda l'aria prima di farla entrare in camera di combustione. Aggiungo cioè un

altro scambiatore (in controcorrente) che ha la funzione di portare alla Tf più bassa possibile i fumi che adesso vanno al camino. Come fluido freddo uso il più

freddo che ho a disposizione (l'aria).