Sistemi Energetici - SE CicloRankineIdeale

SISTEMI A COMBUSTIONE ESTERNA e INTERNA

SISTEMA A COMBUSTIONE ESTERNA

Il fluido di lavoro del ciclo termodinamico non è a contatto con i prodotti di combustione: sono separati da una superficie di scambio termico.

Vantaggi

• Flessibilità del combustibile. Possono essere usati combustibili sporchi contenenti ceneri, metalli. Uguali eventualmente poi i prodotti di combustione non vengono a contatto con le turbomacchine o componenti delicate del ciclo termodinamico.
• Carbone, legna, rifiuti.
• Sorgenti termiche.

• Scelta del fluido di lavoro tale da massimizzare il rendimento del ciclo e progettare al meglio le turbomacchine e i componenti del ciclo.

Svantaggi

• Superficie di scambio tecnico aumentata.
• Aumentano quindi i costi di investimento e il peso.
• (Non è applicabile ai sistemi di trasporto).
• Temperature massime limitate dalla resistenza meccanica.
• Non ci sono metalli atti a legale perché troppo costosi.
• Si usano quelli ferro legati (600°C ~ 650°C).

CICLO RANKINE

Abbiamo:

1. pom pagina del fluido allo stato liquido
2. evaporatore (scambio di fase) del fluido termovettore isobaro, con calore introdotto dalla sorgente calda.
3. espansione adiabatica fino alla pressione di condensazione
4. condensazione isobara con cessione di calore ad una sorgente fredda.

PECULIARITÀ ALLA BASE DEL SUCCESSO

• compressione di un liquido
• espansione di un vapore

r = WtheHo/h1 = Wout - Win/h1 = T - p = ∫ pcon Peva ƞTpol V< sub>esp dp - pcon Peva 1/ƞpol dp = (ƞTpolVesp/ƞTpol)(Pe - Pcon)

Rendimento Ciclo Rankine Ideale

1_P: fluido ad espansione unids (acqua o altro a basse coeffizienti molecolare)

Il rendimento è definito come:

η = ^e⁄_qin

Scomponiamo il ciclo in 2 sottocicli

• A. ciclo di Carnot triangolare
• B. ciclo di Carnot ideale

Quindi:

η = ^e⁄_qin = ^{l_a + l_b}⁄_{qin^A + qin^B} = ^l_A⁄_{qin^A + qin^B} + ^l_B⁄_{qin^A + qin^B} = ^l_u⁄_qA ^q_A⁄_{qin^A + qin^B} + ^{l_A q_B}⁄_{qB qin^A + qin^B}

η_A ^q_A⁄_{qin^A + qin} + η_B ^q_B⁄_{qin^A + qin^B}

= ^q_A⁄_{qin^A + qin} = Peso del ciclo A

= ^q_B⁄_qin^B = Peso del ciclo B

SCELTA PARAMETRI C.R. IDEALE

A. Pressione di condensazione

B. Pressione di evaporazione

C. Temperatura di surriscaldamento

A. PRESSIONE DI CONDENSAZIONE

Se diminuisco la pressione di condensazione:

• è necessario del calore aggiuntivo per il ciclo A per scaldare il liquido
• si aggiunge del lavoro positivo in più

Quindi:

η_cv' = (ℓ + Δℓ) / (q + Δq) > η_cv = ℓ / q

Visivamente, ovvero se Δℓ >> Δq

→ mi aspetto un incremento del rendimento.

Quindi

La pressione di evaporazione ottimale è il frutto di una OTTIMIZZAZIONE TECNICO ECONOMICA che trova il migliore compromesso tra

• COSTO DELL'IMPIANTO
• RENDIMENTO DEL CICLO

Limite: P_{eva Lim} = 300 bar con 2RH

Non conviene spingersi molto oltre perché il GUADAGNO DI RENDIMENTO ^S_tev / _Speva

DIVENTA MINORE, ALL'AUMENTARE DI P_eva

Dipende molto da

• CONFIGURAZIONE DEL CICLO
• TEMPERATURA DI SURRISCALDAMENTO

INCREMENTARE EFFICIENZA CICLI RANKINE

Siamo ancora focalizzati nel ciclo vapore, sulle le trasformazioni che compie il fluido termovettore

quali espedienti ci consentono di migliorare il rendimento del ciclo Rankine, avvicinandolo a quello di Carno?

• Rigenerazione
  • riscaldamento dell’acqua alimento della caldaia
• Risurriscaldamento
  • aggiunge una ulteriore fase di riscaldamento dopo il riscaldamento seg precedente di una fase epomina

C. RISURRISCALDAMENTO

Scopo: incrementare la temperatura media logaritmica di introduzione del calore del ciclo

Come: si esce dalla turbina un flusso a pressione intermedia tra P_A e P_CONO

lo surriscaldo nuovamente in caldaia fino alla temperatura massima consentita dai materiali

Risultato: si aggiunge un sottociclo D al ciclo del vapore surriscaldato, quindi

η_CV^2H = η_A + η_B ^Q_A/_qTOT^2H + η_D ^Q_D/_{qTOT^2H + ηE ^QE/qTOT^2H + ηF ^QF/qTOT^2H}

dove q_TOT^2H > q_TOT^1H perchè q_A + q_B + q_C + q_D = q_TOT ^2H + q_F = q_TOT ^1H

Quindi

• diminuiscono i pesi dei rendimenti dei sottocicli in valore piu bassi
• si aggiunge il rendimento del sottociclo DE tale che η_2H > η_1H > η_A

Allora

^η_CV2H > ^η_CV1H cresce all'aumentare del numero di risurriscaldamenti