Sistemi Energetici - Scelta Fluido Ciclo Vapore

Criteri di scelta di fluidi per cicli Rankine

1. Criterio

Elevato coefficiente di scambio termico in fase liquida e vapore al fine di avere superfici di scambio termico ridotte al condensatore e alla caldaia.

2. Criterio

Ottimo compromesso tra:

• Densità del vapore
• Salto entalpico di evaporazione
• Salto entalpico di espansione

Grandi impianti (>12MW)

• Δh elevati: affinità _m₀ = ^Q*/_Δh più piccoli
• ρ elevati: affinità _V = _ṁ/^ρ più piccoli
• Sezioni di passaggio delle turbine ridotte
• Diametri medi e altezze di pala contenuti

Scan = ^Q*/_{U * ΔT} in modo tale che la turbina più efficiente e poco costosa.

• Vantaggio 1: il rapporto R/D rientra nel campo ottimo per le perdite
• Vantaggio 2: minimo il numero di corpi di bassa pressione

Criteri di scelta di fluidi per cicli Rankine

1. Criterio

Elevato coefficiente di scambio termico in fase liquida e vapore al fine di avere superfici di scambio termico ridotte al condensatore e allo scambiatore.

2. Criterio

Ottimo compromesso tra:

• Densità del vapore
• Salto entalpico di evaporazione
• Salto entalpico di espansione

Grandi impianti (> 2MW)

• ΔR elevati: affinché ṁ = Q_in / ΔR sia piccolo
• ρ elevati: affinché V = ṁ / ρ sia piccolo
• Sezioni di passaggio delle turbine ridotte
• Diametri medi e altezze di pale contenuti

S_scan = Q_in / U • ΔT_mov in modo tale che la turbina sia efficiente e poco costosa.

• Vantaggio 1: il rapporto R_D rientra nel campo ottimo per le perdite
• Vantaggio 2: minimizza il numero di corpi di bassa pressione

Continua vantaggio 2

Gli stadi BP₁ e BP₂ sono in parallelo perché la portata volumetrica di vapore è troppo elevata per un corpo solo.

Se avessi usato 1 corpo solo:

• Stadi con rapporto di _rp troppo elevato
• Velocità di scarico troppo elevata
• (Maggiori perdite)
• (Perdite di Ec allo scarico)

Piccoli impianti (< 1MW)

• Δp_vap bassi
• ρ_vap basse

Velocità ingresso turbina → con du poter utilizzare rapporti R/D sufficientemente elevato.

Perdite termiche R/ Δh_esan bassi. Turbine con pochi stadi e quindi costo minore.

Uno stadio di turbina può essere caricato fino ad un Δh_JTAD^max = μ (V_AT - V_LT) ≤ 250 kJ/kg

• Deflessione imposta dalle pale (V_AT - V_LT)
• Limitata dalle perdite fluidodinamiche connesse alla deflessione imposta
• Per cui non può essere aumentata oltre certi limiti
• Velocità periferica U limitata dalle resistenze meccaniche dei materiali

3^o Criterio

Basso punto triplo (di solidificazione), preferibilmente sotto la temperatura ambiente.

4^o Criterio

Non pericoloso, basso impatto ambientale, non corrosivo, non tossico, non induce degradazione termica alle alte temperature.

5^o Criterio

Economico, basso costo, facilmente reperibile.

6^o Criterio

Buon accoppiamento con il profilo di temperatura della sorgente calda e del pozzo freddo.

Ci sono 2 casi

1. Sorgente termica a T_sorgt

A. Sorgente termica a T=cost

• Impianti solari
• Caldaie a combustione con ^er riscaldatore
• Impianti nucleari

In tutti questi casi, è possibile omettere che la sorgente calda sia equivalente ad una sorgente a temperatura costante pari alla temperatura massima sopportabile dai materiali dello scambiatore.

Vapore sorgente termica

• Impianto solare termodinamico T: 5800 K T: 250 °C - 450 °C
• Impianto nucleare T: 300 °C T_sole = 5800 K T_max^MT = [250 ÷ 450] °C

Vapore genera tipicamente vapore bifase (X<1) o leggermente surriscaldato.

Caldaia con preriscaldatore d'aria: la temperatura dei fumi che cedono calore al vapore può essere aumentata sufficientemente sopra alla Tmax potenziale dello scambiatore fumi vapore con il preriscaldatore dell'aria comburente. Infatti, Tad,F dipende linearmente con la temperatura dell'aria comburente. Così, grazie al previscaldatore d'aria, la temperatura a cui cedo calore al ciclo può essere la massima sopportabile dalle superfici di scambio fumi e ciclo Rankine. Potrei addirittura avere T1 > Tmax_mat.superf T2 = Tmax_mat.superf

B. Sorgente termica e flusso caldo a T costante

Recupero termico di gas di scarico di una turbina a gas. Questi cicli Rankine che recuperano calore da un flusso gassoso a temperature finita sono detti: Cicli Rankine a Recupero Heat Recovery Steam Cycles. La temperatura dei gas diminuisce durante il raffreddamento e diventa molto inferiore alla massima temperatura sopportabile dello scambiatore.

Gas-Vapore

Perfetto accoppiamento con sorgente calda e pozzo freddo.

a. Sorgente calda a T=cost

• Tratto 1-P: verticale per ridurre il peso del ciclo A T_cn>>T_max: con ciò avere T_eva prossima a T_max
• Tratto 3-4: curve di saturazione del vapore quasi verticale per avere titolo elevato
• Tratto 4-1: a temperatura costante per avere ΔT → 0 con il pozzo freddo

b. Sorgente calda è flusso di gas

• Tratto 2-3: assorbimento del calore a C_p = cost quindi serve un’uliti di espansione per ridurre il ΔT con la sorgente calda T_CR<<T_in per ottenere la saturazione e l'esposizione Far in che il ciclo sia supercritico

Per entrambi i casi

• P_eva o P_d buon accoppiamento (ΔT ≈ 0) ma non troppo elevati con ω_u poter contenere lo spessore dei tubi
• P_cond > 0.03 bar poiché per valori così bassi o inferiori è difficile garantire il vuoto e costoso realizzare le tenute

Solo se Tmax = (100 ÷ 150) °C: applicazioni poco comuni e poco interessanti.

Dall'analisi dei fluidi esistenti in natura o realizzabili con processi chimici si deduce che: non esistono in natura fluidi capaci di soddisfare i 5 criteri e l'accoppiamento ideale con le sorgenti. Non esiste fluido che in [15 ÷ 600] °C si comporti come gas con C_p = ω_ret e condensi a temperatura costante.

Soluzione: non essendoci fluidi capaci di soddisfare contemporaneamente tutti i pregi, vengono scelti quelli che garantiscono progetto, dimensionamento e costi vantaggiosi sia per la turbina che per la caldaia. La taglia dell’impianto diventa quindi un parametro importante per la scelta dei fluidi.

a. Taglie elevate > 10 MWe

Fluido: acqua

Perché: garantisce Δbava elevato, p_out,tup_var elevato, U elevato - coefficiente di scambio termico elevato, superfici contenute. Fluido poco costoso e reperibilissimo.

b. Taglie piccole < NWe

Fluido: fluidi organici e refrigeranti (butano, pentano, R12, ecc.)

Perché: garantiscono ΔReva bassi, p_outp_var basso, R/D non sufficientemente elevati, U elevato obb - coefficiente di scambio termico conveniente, superfici contenute. Fluidi stabili alle temperature di esercizio T < 350 °C.

Esempi

1. Sorgente calda a T=cost
   • È ciclo Rankine con surriscaldamento, risurriscaldamento, rigenerazione
2. Sorgente calda flusso di gas
   • Ciclo Rankine con surriscaldamento, più livelli di pressione di evaporazione oppure rigenerazione lieve

Esempi

1. Sorgente calda a T=cost
   • È ciclo Rankine con surriscaldamento lieve, rigenerazione (Risurriscaldamento non usato poiché troppo costoso per impianto piccolo)
2. Sorgente calda flusso di gas
   • È ciclo Rankine con surriscaldamento, rigenerazione lieve oppure più livelli di pressione di evaporazione