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Sistemi Energetici (Peretto) 2020/2021
Impianti (Parte 4) Calorimetro
Caldaia:
Fisso: Tfuel = 25°C = T0
Voglio Tfumi = T0 → Tfumi = Tfuel devo agire sulla valvola di regolazione di portata dell’acqua.
Eq. di Bilancio lato acqua
Q̇ = ṁH2O · C · (Ti - Tis) =
= ṁfuel · HHV
Potere Calorifico Superiore
Pfumi = 1 bar, pressione parziale acqua = 0,05/0,08 bar
Temperatura di vaporizzazione alla pressione parziale TH2O = 30/45°C
Tfumi > 90/100°C, altrimenti dispersione di inquinanti troppo concentrata per legge.
Note: HHV, come trovo LHV?
- H2 + 1/2 O2 → H2O
- 1 kg H2 + 8 kg O2 → 9 kg H2O
- Xn kg H2 + 8 Xn kg O2 → 9 Xn kg H2O
kJ/kgFUEL → 9 Xn K con K = 2500 kJ/kgH2O
LHV = HHV - 9 Xn K
1
Se considero il metano CH4
9.0 25.2500 ≈ 50000 kJ/kg FUEL
Eq di BILANCIO LATO FUMI
(1 + mat) hgt - 1 ∙ hfuel - mat ∙ ha = q
hfuel + mat ∙ ha - (1 + mat) hgt = -q → HHV
meno per avere una quantità positiva (cede calore)
ENTALPIE di FORMAZIONE
(Tabellate a p = 1 bar, T = 25°C)
es. CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
-74,78 + 2.0 ∙ (-393,13 - 2.2416) = 801,55 kJ/mol di CH4
801.55.1000/16 = 50097 kJ/kg CH4 = LHV
HHV = -74.78 + 2.0 ∙ (-393,13 - 2.285,58) = 55594 kJ/kg CH4
controllo formula
HHV = 50097 + 9.1/4 ∙ 2500 = 55722 kJ/kg
BILANCIO ENERGETICO della CAMERA di COMBUSTIONE
1 Tfuel
ma = kg aria/kg FUEL
ma Ta
CC
1 + ma Tg
Consideriamo la camera adiabatica
dq, dL = 0
Cpdc + gdz + dh = dq - dL°
dh = 0
TURBINA A GAS
ṁ = ρAp c dove ρ densità, Ap area di passaggio = 2Πr . h
vp c velocità ⊥ ad Ap.
Ls è la stessa in ingresso ad ogni stadio --> ṁ = cost.
NB: Solitamente Ap = Ag . ε con ε = 0,95–0,98 (condizioni sale)
EQ di FUNZIONAMENTO
Ptot = [(ṁa + ṁfuel) LT - ṁa Lc]ηo
= [(ṁa + ṁfuel)(h3-h4) - ṁa (h2-ha) ] ηo
Ltot = Ptot/ṁa
= [(ṁa+ṁfuel)(h3-h4) - ṁa(h2-ha)] ηo
definisco α = ṁa/ṁfuel
allora Ltot = [(1+1/α)(h3-h4) - (h2-ha)] ηo [kJ/kg aria]
Lu = Ltot/ηo = (1 + 1/α)(h3-h4) - (h2-ha) [kJ/kg aria]
Ptot = ηo . ṁa . Lu
ηcc . ṁfuel . LHV = (ṁa+ṁfuel) Δh3 - ṁo Δh2 - ṁfuel Δhfuel
qi = ηcc. ṁfuel.LHV/ṁa = (1+α/α)Δh3 - Δh2 - 1/α Δhfuel
F = ṁfuel.LHV . qi:ṁa/ηcc (POTENZA TERMICA INTRODOTTA)
ηTOT = PTO T/F = ηo. ṁa.Lv/
qi.ṁa/ηcc
rendimento termodinamico η_TH = Lv/qi
da cui : ηTOT = ηo.ηcc.ηTH
η_TH= (1+α)(h3-hu-α(h2-ha)/(1+α)Δh3 - αΔh2-Δhfuel
di solito: ηo ≃ 0,96
ηcc ≃ 0,98
η_TH ≃ 0,40
(6)
GRUPPI a VAPORE
Titolo di vapore x = mv / (ms + mv)
CICLO di RANKINE
(Ao A BE Bv Eo' Ao)
CICLO di HIRN
(Ao ABE Bv C Eo Ao) → VAPORE SURRISCALDATO
- A → Patm, Tatm
- C → P ≈ 200 bar, T ≈ 550°C
TK è sempre 100°C se Pe = Pamb
- (Ao - A) POMPA di MANDATA alla caldaia
- (A-BE-Bv) COMPRESSIONE
- (Bv-C) RISCALDAMENTO
- (C-Eo) ESPANSIONE
NB:
- Visto che il lavoro coincide con l'area del ciclo:
- → SURRISCALDAMENTO (HIRN)
- → ABBASSARE TK (coincide ad abbassare Pe)
GRUPPO A VAPORE RIRRISCALDATO
Generatore di vapore
HPT Turbina ad alta pressione
LPT Turbina a bassa pressione
Condensatore
Degasatore
alternatore
aria
gas Combusti
Combustibile
H₂O
FWP
EP
RIGENERAZIONE O SPILLAMENTI
- Li = hc - hs
- Li = hs - hE
- L = Li + Lii = hc - hE
- qs = hE - hA calore scambiato
LS = (1+m)(hc-hS) + 1 · (hS-hE) = hC-hE + m(hC-hS) + hS-hE = hC-hE + m(hC-hS) = L + mLI
RENDIMENTO CON SPILLAMENTO = ηS = LS / LS+qS
Pono uguali a meno di quantità passione, quindi ηS > ηHIRN
GRUPPO COMBINATO GAS-VAPORE
TOPPER
compressore
turbina
BOTTOMER
turbina
condensatore
degassatore
FWP
H2O
SCAMBIATORE (H2O-fumi)
Tsat
QSH
QAP
QECO
Qiv
Qw = potenza termica dei fumi
(fornita nel gruppo vapore)
Tu = temp. ingresso
Ts = temp. uscita
Bi = stato fisico all'interno del
drum (acqua liquida)
BE = stato fisico dell'acqua
satura (x = 0,1)
Bv = stessa temp di BE ma
diverso titolo
Bu = stato fisico sulla curva
limite superiore (natura secco)
T'u = pinch point
TAPP = APPROACH
Tmin = MININD (10-15°C)
TSC = SUBCOOLING (2/3°C)
C) Non voglio vapore
nell' ECO
21
TEMPERATURA di COMBUSTIONE
Bilancio energetico per ṁfuel sulla superficie di controllo
qirr
Tparete
Tcombustione
superficie di controllo
dove qirr = k(Tp4 - Tp4)δ0Sinα / ṁfuel
superficie irraggiata
IPOTIZZO k = 1 e Tp = Tc (approssimazioni di negro eppuregiò)
ELHV + qirr = cpg(1 + maST)ΔTc - maacpairΔTa - cpfuelΔTfuel
ELHV + maacpaΔTa + cpfuelΔTfuel - (Tc4 - Tp4)δ0Sinα / ṁfuel = cp(1 + maa)ΔTc
entalpia complessiva dei reagenti: hR
ELHV + hR - (Tc4 - Tp4)δ0Sinα / ṁfuel = cp(1 + maST(1 + ε))ΔTc
È possibile trovare Tc grafando entrambi i membri e studiando il punto d'intersezione fra le curve
grandezza fondamentale per il generatore
[kJ / kgfuel K]
Tad
PRIMO MEMBRO
SECONDO MEMBRO
la curva blu scende più rapidamente al crescere del rapporto Sinα / ṁfuel
NB: Caso limite con Sinα = 0 si trova la Temperatura adiabatica di fiamma Tad
la curva rossa sale più rapidamente al crescere di maST
T0 ELHV + hFa COT
Tp
Tc
Tc
OSS: T0 = 250 è la temperatura di riferimento con cui si calcola LHV
spesso, nel grafico coincide con l'origine perché è numericamente molto piccola.
Tc cala se Sinα / ṁfuel 0° ϕ