Sistemi Energetici - SE GeneratoriDiVapori

GENERATORI DI VAPORE A COMBUSTIONE

Le caldaie hanno le funzioni di:

1. convertire combustibile in gas caldi
2. trasferire calore sensibile dei gas caldi al fluido del ciclo

garantendo:

• adeguato tiraggio al camino
• massimo rendimento
• costi di investimento ragionevoli

RENDIMENTO ELETTRICO NETTO IMPIANTO

_N^NETTO_el = ^IMP/_mcPCI = ^CV/_mcPCI

= ^{TV - P_el - P_aux}/_mcPCI = ^TV/_Qin

Moltiplico e Divido per Q_in.

= ^Q_in/_mcPCI

= ^{C.V. P_el-netta - P_aux}/_Qin

= ^{C.V. P_el-netta - P_aux}/_Qin

= _C.V.P_el-netta = _C.V. P_el-netta

= _C.V. P_el-netta = _C.V. P_el-netta

= η^CALD_{TH C.V.}P_el-netto = η^CALD_TH η_el-netto (1 - ^P_aux/_{C.V. Pel-netta})

GENERATORI DI VAPORE A COMBUSTIONE

Le caldaie assolvono le funzioni di:

1. convertire combustibile in gas caldi
2. fornire calore sensibile dei gas caldi

elevare del ciclo garantendo:

• adeguato tiroggio al camino
• massimo rendimento
• costi di investimento ragionevoli

RENDIMENTO ELETTRICO NETTO IMPIANTO

_N^NETTO_el = ^P_EL-NETTA/_mcPCI = ^{C_V P_EL-NETTA - P_EL}/_mcPCI = ^{T_V P_EL - P_EL - P_AUX}/_mcPCI

= ^Q_in/_mcPCI ^{T_V P_EL - P_EL - P_AUX}/_Qin = ^{CALD _th C_V P_EL-NETTA - P_AUX}/_Qin

= CALDth CV PEL-NETTA = CV PEL-NETTAQin

= CALDth CVel-netto 1 - PAUX CV

Trascurando gli ausiliari

Occorre tenere conto sia

• del rendimento di caldaia
• del rendimento elettrico netto del ciclo vapore

Pro:

• Riduzione Pcond
• Aumento Peva
• Aumento Tsh
• Aumento Nwingen
• Aggiungo Rsh

Tot. 5 fattori favorevoli

Pro

• Riduzione di Tcan (calore sensibile dei fumi)
• Aumento coibentazione (perdite termiche)
• Miglioramento Fluido dinamico (inconvenienti)
• Minimo accesso d’aria per ossidare tutto il combust.

Warning!!!!

C’è conflitto tra

• rigenerazione
• temperatura al camino

CONFLITTO: RIGENERAZIONE E T_CAN,

CON RENDIMENTO DI CALDAIA

IN ASSENZA DI PRERISCALDATORE D'ARIA

Porta:

• T_RIOG: temperatura dell'acqua di alimento all'ingresso della caldaia
• T_CAN: temperatura fumi al camino

dove rimettare:

T_CAN > T_RIOG.

Quindi:

Per aumentare il ciclo,

salireremo e T_C < 2300 °C

MA

T_CANINO > T_RIOG e

non posso raffreddare

sotto i 1300 °C

Con preriscaldatore d'aria

In questo modo la temperatura al camino pu

essere abbassata fino alla temperatura desiderata

Quindi:

• N_cv ^↑, grazie alle rigenerazione dell'acqua alimento
• N_th ^↑, grazie alle T_camino piu bassa possibile

impianto nel netto ottimizzato!

Temperatura materiali e scambio termico

Scopo: realizzare le pareti di scambio termico gas-vapore con materiali poco costosi; quindi acciai al carbonio o poco legati

• T < 450°C (al carbonio)
• T = 540-650°C (legati con Ni, Cr)

Consideriamo la parete metallica a lato:

• Tg: temperatura dei gas caldi.
• Ti: temperatura dell'acqua.

Esse variano a causa dello scambio termico lungo la coordinata Y

• T_p,e: temperatura della parete metallica esterna.
• T_p,i: temperatura della parete metallica interna.

Il flusso termico scambiato tra gas parete esterna è dovuto a:

• Convezione
• Irraggiamento: acqua e anidride carbonica u T>400°C hanno emissività non trascurabile molte onde, particelle di cenere esotebo irraggiato

In generale si raggruppa il contributo dell’irraggiamento nel coefficiente di convezione corretto

q̇ = q̇_conv + q_conv

= h_g (T_g-T_pe) + εδ₀ (T_g-T_pe)

h^* = h_g + εδ₀ (T_g⁴-T_pe⁴) / (T_g-T_pe,e)

Il flusso termico scambiato tra parete e parete è dovuto alla

• Conduzione:

q̇_parete = k / λ (T_pe,e-T_pi)

Il flusso termico scambiato tra gas parete interni è dovuto a

• Convezione:

q = h_i (T_p - T )

Ip: regime stazionario

• I 3 FLUSSI TERMICI SONO UGUALI

q = q_g-pe = q_pe-pi = q_pi-i

Seguendo l'analogia delle resistenze elettriche si ha che:

• T_g - T_i      q = ---------- dove      R_TOT = R₁ + R₂ - R₃                  R_TOT = 1 / h_g* + L / k + 1 / h_i
• T_pe - T_i      q = ------------ dove      R^2'3_TOT = L / k + 1 / h_i

* | T_pe - T_i | = q R^2'3_TOT = h_g* (T_g-T_pe) R^2'3 _TOT = (T_g-T_pe) h_g* (L / k + 1 / h_i)

= h_g* / h_i (T_g - T_pe)

Se coibentiamo metalli con conducibilità tecnica elevata, la formula si può semplificare.

CONSIDERANDO

(T_p,e-T_i)= _hg^*/^h_i (T_o-T_pe)

SCOPO:

mantenere bassa la differenza tra parete esterna e vapore

al fine di usare materiali poco pregiati e costosi

Si ha:

• h_g^*: dipende dalla temperatura e concentrazione di acqua e anidride carbonica e dalla presenza di ceneri o solidi che innalzono molto piu dei gas e dalla velocità.
• h_i: deve essere elevato al fine di mantenere poca distanza tra |T_pi,e -T_pi|

ELEVATO COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO LATO VAPORE

• T > 2000 K h_g^* = (130 ÷ 160) W/m²K
• T = 1000 K h_g^* = 100 W/m²K
• T < 100 K h_o = (70 ÷ 85) W/m²K

CASO h_i >> h_g^*

QUANTO VALE Ri PER LIQUIDO,

FLUIDO BIFASE E VAPORE SURRISCALDATO?

1. LIQUIDO E VAPORE SURRISCALDATO

   Si usa la formula di DITTUS-BOELTER considerando il fluido monofase

   Si ottiene

Nu = a Re^α Pr^β

h_LIQ/SH = (K_F / D) (ρ V D / μ)^α (c_p μ / K)^β

quindi

• K dipende da:

• DENSITÀ
• CALORE SPECIFICO
• CONDICIBILITÀ TERMICA DEL FLUIDO
• VISCOSITÀ DINAMICA
• VELOCITÀ

PROPRIETÀ DEL FLUIDO

a. ℎ_liquido

• V_liquido = (1 ÷ 5) h/m
• OTTIMO COMPROMESSO TRA
  • perdite di carico
  • coefficiente di scambio termico convettivo
• Fluido denso
• elevato calore specifico a pressione costante
• coefficiente di conducibilità termica elevato

ℎ_liquido = (1000 ÷ 2000) W/m²K

b. ℎ_SH

• V_SHvapore = (15 ÷ 25) h/m
• il vapore è meno denso e viscoso quindi le perdite di carico aumentano meno rapidamente con la velocità
• Debiti basso
• Calore specifico a pressione costante basso
• coefficiente di conducibilità termica basso

ℎ_SHvapore = 500 W/m²K

2. FLUIDO BIFASE

Regione A: scambio termico con flusso forzato e liquido sottoraffreddato

Regione B: EBOLLIZIONE NUCLEATA

Fenomeno di bollline di vapore nella superficie della parete perde T_p > T_eva e tali bolle si distaccano

dalla superficie per trascinamento e spinti di archimede (evaporazione). A contatto con il liquido cedono calore e condensano

• A CAUSA DI QUESTO MECCANISMO DI EVAPORAZIONE E CONDENSAZIONE

RiSALE!

PAR ETE METALL DI SEPA LAZ

h_vap = 500 W/m²K

CONDI FLUSSIO CRITICO

Ri > 15000

Regione C:

FORMAZIONE DI BOLLE IN GETTI E COLONNE

Le bolle sono sufficientemente grandi da non condensare a contatto con il liquido ed occupano mano a mano la maggiore parte delle sezioni di passaggio.

Il punto di massimo coefficiente di scambio tecnico convettivo e quindi di massimo flusso è detto PUNTO DI FLUSSO CRITICO

Regione D:

La velocità di formazione delle bolle è maggiore delle velocità con cui le bolle si distaccano dalla superficie poiché la densità del fluido è ormai prossima a quella delle bolle di vapore, quindi la spinta di Archimede è ridotta. Quindi si FORMA UN FILM DI VAPORE.

Tale film all'inizio instabile, orami si forma e periodicamente si distacca

Tale film di vapore riduce il coefficiente di scambio termico perché H_vap R_liq

Regione E:

Il FILM DI VAPORE diventa STABILE e quindi il COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO CONVETTIVO precipita AL VALORE DEL VAPORE SURRISCALDATO

Quindi, al fine di mantenere la temperatura di parete esterna ai valori sopportabili da acciai più o meno legati

• Sfruttare l'elevato coefficiente di scambio termico convettivo del flusso bifase

La disposizione a lotto è usata se T_Gas > 100-1000 °C al fine di tenere: T_p,e < 600-650 °C

L'evaporatore deve funzionare nella zona di moto a bolle e tappi dove R_i < R_fc

• Stabilità
• Sicurezza

nel funzionamento

Evaporatore a contatto con i gas più caldi ridurre T_p,e!!

(Schema del processo)

Titolo X unitario