Sistemi energetici

SISTEMI ENERGETICI

TURBINE A GAS

Le turbine a gas sono delle macchine, o insieme di macchine, che permettono la produzione di potenza elettrica e/o meccanica. Questa produzione è data grazie al combustibile con caratteristiche particolari. Esse è particolarmente ideale e degli esempi potrebbero essere il gas naturale o il cherosene. Una turbina a gas è costituita da:

1. COMPRESSORE C
2. CAMERA DI COMBUSTIONE CC
3. ESPANSORE O TURBINA T

Il fluido di lavoro (aria prelevata dall'ambiente) viene aspirato dal compressore, il quale ne innalza la pressione e la temperatura e lo invia nella camera di combustione. Qui avviene la miscelazione e la combustione fra aria e combustibile (la pressione permane costante), che porta ad un altro innalzamento di temperatura del fluido. I gas, ad alta pressione e temperatura, vengono inviati in turbina dove si espandono fino alla

pressione atmosferica per poi essere scaricati all’esterno. Nel condotto di aspirazione del compressore è solitamente disposto un filtro per impedire l’ingresso di particelle che potrebbero sporcare o danneggiare il compressore, mentre nel condotto di scarico a valle della turbina si sono ricircolatore, eventuali sistemi di trattamento dei fumi e il camino. Tutti questi componenti sono in termini aperti, quindi non sono presenti valvole di controllo per ridurre la portata di fluido, ma si è una sola portata che fluisce da 1 a 4. Ciò comporta da svolgere le equazioni generali del moto dei fluidi in forma termica o meccanica per interni aperti.

Compressore

Procedendo in maniera isentropica, avremo l'andamento 1-2s, in questo caso la macchina è ideale, priva di irreversibilità e, ovviamente, questo tipo di macchina non esiste. Procedendo in maniera reale, non è possibile disegnare l'andamento, dunque si tracciano il punto iniziale e quello finale (1-2). Procedendo in maniera politropica (regolate dal tratteggio sopra) possiamo congiungere i punti 1-2. Possiamo anche scrivere, grazie alla politropica.

q = ṁ_no / ṁ_fuel C_p (T_u - T_i) = HHV

N.B. Solitamente i fumi vengono espulsi in atmosfera prima che parte dell'acqua in essi contenuta si condensi, cedendo quindi calore latente di vaporizzazione.

LHV = HHV - S x λ

Poiché l'acqua contenuta nei fumi è:

x_H kg H₂ + 8 x_H kg O₂ → 9 x_H kg H₂O

(2) Mediante le entalpie di formazione

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

+ ΔR_f (250°C) + 2·0 [Δh_f⁰(250°C) + 2ΔR_f]^F H₂O

= LHV

Poiché considera Δh_f^vap H₂O e già toglie il calore di vaporizzazione d( Δh_fv^liq H₂O)

Combustione di aria teorica, reale ed eccesso di aria

Le reazioni chimiche di un combustibile puro sono:

C + O₂ → CO₂ 12 kg C + 32 kg O₂ → 44 kg CO₂

H₂ + ½ O₂ → H₂O 2 kg H₂ + 16 kg O₂ → 18 kg H₂O

S + O₂ → SO₂ 32 kg S + 32 kg O₂ → 64 kg SO₂

Nota le masse molari, stesso quanto bilancio di massa

T₂/T₄ = β^k-1/k 1/η_PC

T₃/T₄ = β^k-1/k 1/η_PE

T₄/T₃ = 1/β^k-1/k η_PE

→ Sostituendo

P₂/P₁ = β P₃/P₄

η_thr = [T₃ - T₃ (1/β^k-1/k η_PE)] - [T₁ β^k-1/k 1/η_PC - T₁] = L_u

= [T₃ - T₁ β^k-1/k 1/η_PC - T₁ (β^k-1/k 1/η_PC - 1)]

→ η_thr è influenzato da

• - T₃
• - β
• - M_PC
• - M_PE

Andamento, nel caso di gas ideale, di lavoro e rendimento in funzione del rapporto di compressione del ciclo, del rendimento politropico e della temperatura massima (T₃)

Nota: T₃ è il punto di massima temperatura cui sono legate maggiori sollecitazioni termiche. Essa è legata allo sviluppo tecnologico e alle tecniche di raffreddamento della macchina, dato che il fluido esce dalla CC ad una T ≈ 800°C

Supponendo η_PE = η_PC = η_P = 0,85 - 0,8 T₃ = cost.

Grafico di L_u e M_th in funzione di β

M_th = [

T₃ = cost.

η_P = cost.

per β_LM

→ gruppo in autoafficienza

L_T = L_C piccola L_u = 0

Diagramma di scambio termico nel condensatore

NB: I gruppi a vapore necessitano di corsi d'acqua sicuri per consentire la condensazione del fluido di lavoro; l’operazione di prelievo e scarico produce squilibri nell’ambiente infatti l’acqua scaricata avrà un aumento di temperatura ^{T_i + ∆T} dove il ∆T è noto.

Dato che per L_s, ∂ H_v

→_Tk

le variabili che non possono variare sono:

1. Ṁ_H₂Oⁱⁿ → inverno Q_f
2. Q
3. τ ≈ 10°C

Q_o = Ṁ_H₂O^liq C_pliq((TH₂Oout)² -(TH₂Oin)³) finito Q_I

S nel caso estremo

1. (TH₂Oout)^c_on = ThO2out = thermo

Se TH₂Oout ‌= ‌ allora Ṁ_H₂O

1. ➔ equilibrio tra beneamento di P_k e portata d'acqua
2. per condensare per cui di to
3. P_k (TH₂Oout)^c_on = 0.05 bar

Ad ogni T_amb ‌ si associa una P_k che minimizza il consumo:

• -per non avere importanti sollecitazioni nel condensatore (P≋k̶0,05.bar.
• -se P_k^'' lo maggior infiltrazioni d'aria (pompa per sotto)

ANDAMENTO DEL TITOLO ALLO SCARICO DI UNA T.A VAP. IN FUNZIONE DI

In P_m* ho M_mmax ed un titolo

X > 0,85

GRUPPO A VAPORE CON RIGENERAZIONE

Note che, lungo la linea di ALIMENTO, la T non cambia,quindi A = A esiste la possibilità di intervenire sullalinea senza dover consumare combustibile, in modotale da riuscire a roteare il fluido nel generatore di

r_B - h_i = r_B - (h_s + h_a) / 2 = (h_a - h_a) / 2

_{n¡ di s}pilamenti + 1

SALTO MEDIO ENTRALPICO NEL

DEGASATORE = 2 PARTI SU

SALTO MASSIMO DI RIGENERAZIONE

OERNO _n DI SPLILAMENTI + 1

GRUPPO RIGENERATIVO A 3 SPILAMENTI

SCHEMA IMPIANTISTICO E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTo

È un sistema a 3 incognite e 3 equazioni.

Posso ricavarmi m_s1, m_s2, m_s3 in un calcolatore.

Viene sfruttato anche la POTENZA meccanica delle POMPE.

P_EP = ^{P_A1 - P₀}/_ρ (1 + m_s1)ṁ_E/_ηpEP

P_FWP = ^{P_V1 - P₂}/_g (1 + m_s2 + m_s3)ṁ_E/_ηFWP

ṁ_H2O C_e (T_out - T_in) = ṁ_Eh_e + m_s1ṁ_Eh_s1 - (1 + m_s3)ṁ_Eh_a

^ṁ_H2O/_ṁE = ^{h_e + m_s1h_s1 - (1 + m_s3)h_a}/_{Ce(Tout - Tin)}

RAPPORTO TRA PORTATA CHE DEVO ESTRARRE DALL'AMBIENTE E LA PORTATA DI PROCESSO ≈ 60

GRUPPI COMBINATI GAS-VAPORE

T_a → 400 - 500 - 600 °C = incremento in caloria dei fumi (FUMI + VAPORE ACQUA)

La turbina a gas viene detto TOPPER ⇒ CEDE POTENZA TERMICA

La parte di ricavo potenza termica è detta BOTTOMER (GV)

Obiettivo: utilizzare i gas caldi del turbogas esitando ulteriore combustibile nel GV.

Infatti sfrutto solo la CAMERA DI COMBUSTIONE del turbogas. Il rendimento sarà molto alto.

La caldaia a recupero = parte del BOTTOMER, forniscono al fluido ACQUA (HRSG: Heat recovery steam generator) (SG: Steam generator)

DEAREATORE → all'uscita l'acqua riscaldata entra liquida nel DRUM e poi nel VAPORIZZATORE con titolo 0.5.