Sistemi Energetici - SECicloGas02 RaffreddamentoPale

Raffreddamento pale

Poiché l'aumento della T_max è vantaggioso per il rendimento dei pari lavoro ciclo per elevati (ciclo T_max), abbiamo due possibilità:

1. Sviluppo di materiali resistenti ad alta temperatura
2. Raffreddamento delle parti calde della macchina

Parti più sollecitate

Sono le pale rototiche del I^° stadio delle TG perché:

1. Soggette alla temperatura prossima a quella massima.
2. Soggette alla forza centrifuga dovuta alla rotazione.

Creep e fatica oligociclica

Raffreddamento pale

Poiché l'aumento della T_max è vantaggioso per il rendimento da pari lavoro per elevati T_max, abbiamo due possibilità:

1. Sviluppo di materiali resistenti ad alta temperatura
2. Raffreddamento delle parti calde della macchina

Parti più sollecitate

Sono le pale rotoidiche del I stadio delle TG perché:

1. Soggette alla temperatura prossima a quella massima
2. Soggette alla forza centrifuga dovuta alla rotazione

CREEP e FATIGA OLIGOCICLICA

Inoltre, la velocità del gas in espansione è elevata, quindi anche il coefficiente di scambio termico convettivo gas-parete, e la temperatura di parete.

Il combustore

Raggiunge anch'esso temperature elevate, rimane elemento statico e soggetto alle sole pressioni del gas che è più modesto rispetto a quella dei cicli a vapore.

Riassumendo

1. CREEP a causa delle forze centrifuga causata dalla rotazione
2. Fatica oliciclica: per gli avviamenti
3. Elevate T per le velocità elevate che innalzano il coefficiente di scambio termico convettivo gas-parete.

Le pale sono quindi i componenti più critici da progettare e realizzare.

Materiali palettatura ad elevata temperatura

Materiali: le schiere statoriche e rotoriche devono resistere a temperature superiori di 650°C, sono di solito usate leghe a base nickel (superleghe) che consentono di arrivare fino a 830-1000°C, anche in elevazione alle vite ottime.

Struttura metallurgica

• Single Crystal: poiché il creep è determinato dagli spostamenti relativi dei bordi di grano (non è conveniente avere approfondimenti del grano alle alte temperature)
• Solidi di fissazione direzionelle: i grani sono orientati secondo le direzioni longitudinali del pezzo/pale per opporre il creep.

N.B. Le superleghe nel CV non sono economicamente convenienti poiché il materiale necessario per il SH è molto più elevato di quello necessario nella T.G.

Raffreddamento delle pale

Principio: la temperatura del fluido di lavoro può essere maggiore di quella del materiale/parte della macchina.

• Eseguendo un ciclo a combustione interna il calore viene fornito da una reazione chimica
• Se non raffreddo le pale:
  • Si portano alla temperatura dei gas dopo un transitorio termico
  • Raffreddato, si porta a una temperatura di parete intermedia

Ci sono due possibilità:

1. A circuito aperto: l'aria fluisce all'interno delle pale e viene poi miscelata alla corrente di gas in espansione
2. In circuito chiuso: dell'aria compressa è prelevata, portata alle pale della turbina con un compressore ausiliario, e quindi reimmessa prima del combustore.

N.B. Non è possibile fare ciò nei C.V. perché:

• È il metallo che fornisce calore al fluido di lavoro quindi
• Tmet > Tfluido di lavoro
• Sono cicli a combustione esterna.

Sistema di raffreddamento ad aria in circuito aperto

Come: L'aria fluisce all'interno della pala e viene poi miscelata alla corrente di gas che esponde. Realizzazione: Vengono ricavati canali di passaggio per l'aria all'interno della pala, in cui anch'io poi cifluisce aria plastica dalla componente che si rincalza:

T₂ > T₁

P₂ = P₁ + ΔP_pala (considera le perdite della pala che deve vincere con i)

Meccanismo di scambio termico: e di convezione.

(T_p,e - T_i) = (T_g - T_p,e) h_g ( /_k + ¹/_Ri)

T_p,e =^{T₁ + h_g ( /_k + 1/_Ri) T_g}/_{1 + hg ( /k + ¹/Ri)}

Quindi T_p,e → T_R

h_g CALA (coeff scambio convettivo del gas CALA) R_i SALE (coeff scambio convettivo lato VETRI SALE)

Stadio di turbina a gas raffreddato in circuito aperto

• A: Statore
• B: Rotore
• C: Demisceamento gas caldo e aria fredda!

Flussi di raffreddamento non più lenti e più freddi. Misceamento flussi Raffreddamento del rotore con corrente di gas principale.

Nota

Il I° stadio della turbina di solito è hagrado di reazioner = Δp_rot / Δp_ts < 0,5 MOLTO BASSO! Negli stadi successivi si ha invece Grado di reazioner = Δp / Δp_ts = 0,5 ELEVATI

RENDIMENTI POLITROPICI

η_pol SALE!

CARICHI ELEVATI: Peso o ΔПiso V_r cresce e P_c cala

R_A = V_r² / 2 + P_c

Entra più freddo nel I° statore

DIAGRAMMA T-S del CICLO GAS con TURBINA RAFFREDDATA

T=800°C NON RAFFREDDATO

DIAGRAMMA T-S DEL I° STADIO DI TURBINA CON RAFFREDDAMENTO IN CIRCUITO APERTO

T_A=COT: Temperatura di uscita del combustore (Combustor Outlet Temperature) T_C,TOT=TIT: Temperatura totale di ingresso del primo rotore a valle del miscelamento con i flussi di raffreddamento del 1°stadio (Turbine Inlet Temperature)

A_B espansione raffreddata nello statore (o meglio nel condotto palare dello statore) _SA < S_A: l’entropia cala a causa del raffreddamento.

B_C: miscelamento gas-aria raffreddamento S < S⇲: l’entropia cala a causa dell'aria fredda. C_TOT-D: espansione raffreddata nel condotto palare del rotore

N.B. A causa dei flussi di raffreddamento spillati, la portata espansa nel 1° stadio non è quella complessiva aspirata D⇲ miscelamento flusso palare con flussi di raffreddamento delle pale rotodiche. C-C_TOT: considera il contributo cinetico allo scarico dello statore.

Effetti sistema di raffreddamento pale in circuito aperto

• Riduzione della portata massica in espansione nel I° stadio della turbina. È come se i flussi di raffreddamento seguissero un ciclo a Go TMAX inferiore e quindi con rendimenti inferiori
• Riduzione della temperatura media del gas in espansione a causa dei flussi di raffreddamento. La miscelazione dei gas caldi con l’aria raschiata (1) dalle pale abbassa la temperatura e di conseguenza cresce il volume specifico e di conseguenza scende il potenza generata e del lavoro specifico. W^T_out = ∫h_in(p) * η^T_pol * υ(p,T)dp
• Disturbo della fluidodinamica del fluido in espansione. La velocità dell’aria raschiata (1) dalle pale è minore con direzione differente da quella dei gas in espansione quindi |V̅_NAFF| gas₁|V̅_NAFF ≠ V̅_gasη^TG_pol cala.
• Dal punto di vista dell'analisi entropica, i flussi di raffreddamento delle pale causano irreversibilità interna: scambio termico gas pale, fluidi, refrigerante, miscelamenti di gas a differente temperatura e velocità, perdite di vario ora di raffreddamento attraverso dei canali pulsori.

Conclusioni

L’uso dei flussi di raffreddamento porta:

• Vantaggi: aumento della T_max ciclo
• Svantaggi: minor potenza, rendimento polibibico volume specifico, irreversibilità

Quindi dati: efficienza sistema di raffreddamento, portata dei flussi. Devo ottimizzare ciclo T_max-T_ritorno per minimizzare perdite e massimizzare rendimento.

* _mr ELEVATE T₃-T_max sale mu_c PERDITE AUMENTANO

* _mr BASSE mu_c RIDOTTA TEMPERAT MASSIMA DEL CICLO

A: Pale non raffreddata B: Punto di ottimo del raffreddamento

Sistema di raffreddamento pale in circuito chiuso

1. Tipo: Flusso ad aria. Dell'aria compressa viene convogliata alle pale della turbina, grazie anche all'auto di un compressore basso per mezzo di palette di vario; dell'aria viene poi reimmessa prima del combustore.
2. Tipo: Flusso a Vapore TG+HRSG. Il vapore viene espanso in un primo stadio della turbina, successivamente viene inviato alle pale del TG. Infine, dopo essere stato riscaldato in caldaia, prosegue l'espansione negli altri stadi della turbina.

Effetti sistema di raffreddamento in circuito chiuso

• Limita il raffreddamento dei gas in espansione: volume specifico ↑ il rendimento η ↑
• Evita perdite fluidodinamiche per rimescolamento: η_POL SALE
• Tutta la portata d’aria è riscaldata alla temperatura massima del ciclo: ℓ_T SALE, ℓ_NETTO SALE, η_I CRESCE

Svantaggi

1. Raffreddamento per sola convezione: velocità elevate con conseguente aumento delle perdite. Vapore è migliore dell’aria
2. Complicazioni strutturali della macchina e delle pale
3. Possibili problemi di avviamento della macchina (specialmente se il flusso di raffreddamento è il vapore)

Nel piano T-S.

Raffreddamento circuito aperto

Raffreddamento circuito chiuso

Le curve di raffreddamento chiuso è meno pronunciata del caso di raffreddamento in circuito aperto → si è detto infatti che il raffreddamento è minore!!

N.B. Il raffreddamento in circuito chiuso è solo sperimentale non è ancora stato adottato in igus industriali o disponibili in commercio.

Tecniche di raffreddamento

1. Convezione: Circuito Aperto. L'aria apporta calore dalle pareti metalliche raffreddandole per convezione e poi viene scaricata nel bordo di uscita e nell'apice delle pale nel flusso di gas.
2. Circuito Chiuso. Il coefficiente di scambio termico convettivo lato aria viene aumentato, costruendo canali di piccoli diametro. Velocità elevate _hr sale. Perdite aumentano!!
3. Impingement. Il refrigerante investe perpendicolarmente le superfici interne delle pale, elevando il coefficiente di scambio termico convettivo. Si usa solo nel bordo d'attacco del 1^o stadio (punto più caldo) perché consuma grandi quantità di aria e vi elevate perdite di carico.
4. Thermal Barrier Coating. È uno strato di materiale ceramico spesso di alcuni millimetri che ricopre le superfici delle pale, consentendo di tenere a temperature più alte. A parità di Tenallo, posso innalzare la temperatura dei gas T_m=cost T_metal=cost q^.=cost q^.=T_w,c-T_R^.1^._Ra^.S_net/K_net No irreversibilità. Costoso Dilatazioni termiche Problemi nei trasduttori.