Syllabus domande Sistemi per l'energia e l'ambiente

La rigenerazione è una tecnica di ottimizzazione degli IMTV che consente di ridurre la quantità di

calore prelevata dall’esterno dal ciclo prelevandola dal ciclo stesso, in particolare dalla fase di

espansione. Dal momento che non sarebbe possibile, a causa della ridotta superficie palare e dei

brevi tempi di permanenza del vapore, prelevare calore dalla turbina, si opera il cosiddetto

spillamento: si preleva una frazione del fluido volvente dalla turbina. Questa frazione spillata viene

inviata ad uno scambiatore di calore collocato prima del generatore di vapore e cede il proprio calore

residuo al fluido in uscita dal condensatore, preriscaldandolo. Gli scambiatori utilizzati possono essere

a miscela (ovvero il vapore spillato viene miscelato direttamente con il fluido, termodinamicamente

più vantaggioso ma necessita di scambiatori di grandi dimensioni e di una seconda pompa in uscita

dallo scambiatore) oppure a superficie (il vapore lambisce i fasci tubieri in cui scorre l’acqua, è il

sistema più semplice ed economico). I vantaggi dello spillamento consistono nella riduzione della

quantità di calore da somministrare al ciclo (seppur sottraendo fluido motore alla turbina

riducendone il lavoro utile), ne consegue un leggero aumento del rendimento totale del ciclo a

vapore. I limiti sono rappresentati dalla riduzione del contributo termico fornito all’aumento degli

spillamenti a causa della progressiva perdita di entalpia all’interno della turbina, per questo motivo il

numero di spillamenti non supera mai gli 8. La rigenerazione completa non sarebbe

termodinamicamente vantaggiosa.

4-Il candidato illustri e descriva la curva di polarizzazione di una cella a combustibile con le relative

perdite di polarizzazione.

Rispetto alla massima tensione reversibile prelevabile dai capi della cella, data dalla equazione di

Nernst, il comportamento reale della cella differisce a causa di diversi fattori di perdita. Pertanto la

= − − −

reale tensione disponibile sarà data da: . Le perdite di

ℎ

polarizzazione per attivazione η sono dovute alla barriera energetica che le specie chimiche nella

att

cella devono superare perché si inneschi la reazione. La polarizzazione di attivazione è legata alla

velocità con cui avviene la reazione. Le perdite ohmiche η sono invece legate alle resistenze

ohm

interne esistenti nella cella che si oppongono al transito degli elettroni e seguono, appunto, le due

leggi di Ohm. Le perdite per concentrazione η infine sono legate al trasporto di massa delle specie

conc

chimiche reagenti sui siti catalitici e si manifestano quando la velocità di alimentazione dei reagenti

e/o la velocità di rimozione dei prodotti della reazione è più bassa di quella corrispondente alla

corrente richiesta. Essendo il trasporto di massa di tipo diffusivo, il meccanismo è regolato dalla legge

di Fick.

5-Mediante l’ausilio di schemi e di diagrammi termodinamici, si descrivano i principali componenti e

le caratteristiche fondamentali degli impianti a vapore con ciclo a condensazione, evidenziandone le

modalità di esercizio. Infine, si descrivano i principali criteri di ottimizzazione del rendimento

termodinamico e le problematiche connesse alla scelta del combustibile impiegato.

Gli IMTV sono impianti per la produzione di energia a ciclo chiuso, ovvero il fluido volvente

(solitamente acqua) nel circuito è sempre lo stesso. Il fluido viene portato ad alta pressione da una

pompa ed immesso nel generatore di vapore dove riceve calore e vaporizza, il vapore è poi

surriscaldato ed inviato alla turbina. Nella turbina il vapore cede il proprio contenuto entalpico, che

verrà da quest’ultima trasformato in lavoro, per poi finire il ciclo nel condensatore, in cui il calore

viene sottratto ed il fluido torna liquido. A questo punto il fluido rientra nella pompa ed il ciclo si

ripete. È spesso presente anche un degasatore che rimuove i gas e l’eventuale aria presenti nel fluido

dopo la condensazione. Attualmente i moderni impianti a vapore hanno raggiunto lo stato dell’arte

dello sviluppo, con rendimenti di combustione e rendimenti meccanici vicini all’1, i futuri sviluppi si

concentrano sul rendimento limite, ovvero di conversione termomeccanica dell’energia, e sul

rendimento interno, cioè legato al trasferimento di energia dal fluido alla turbina.

Per migliorare le prestazioni di un IMTV è possibile operare diverse modifiche, tra le quali c’è il

risurriscaldamento. Dopo essersi espanso in turbina il vapore passa attraverso un ulteriore fascio

tubiero interno al generatore di vapore dove viene risurriscaldato per confluire in un secondo stadio

di turbina. Oltre all’aumento del rendimento e del lavoro utile il risurriscaldamento permette di

mantenere un titolo di vapore medio più alto (infatti al di sotto di 0,8 il vapore può causare effetti

erosivi alle palettature della turbina), tuttavia occorre tenere presente che i costi e l’ingombro di tale

sistema devono essere giustificati, ecco perché nella maggior parte degli impianti non vi sono più di

due stadi di risurriscaldamento.

Un altro sistema di miglioramento del ciclo a vapore a condensazione è dato dalla rigenerazione, che

consiste nel prelevare una quantità di vapore surriscaldato dalla turbina ed inviarlo a scambiatori per

il preriscaldamento del fluido prima che questo entri nel generatore di vapore. Lo scambio termico

alla turbina è irrealizzabile a causa della geometria delle palettature e del breve tempo di permanenza

del vapore in questo componente, inoltre se si prelevasse calore dal vapore direttamente in turbina

il titolo di questi si abbasserebbe troppo prima dell’uscita da quest’ultima causando perdite di

potenza e soprattutto danni da corrosione. Per questo viene spillata una piccola quantità di vapore

ed inviata a scambiatori a superficie (più semplici ed economici ma meno efficaci) o a miscela (più

efficaci ma ingombranti e necessari di una seconda pompa a valle). È possibile eseguire più spillamenti

in serie tuttavia il numero massimo è di 8 a causa della progressiva perdita di contenuto entalpico del

vapore.

Le migliorie sopra illustrate possono coesistere in uno stesso impianto, apportando un notevole

aumento di rendimento e potenza utile. Infine è possibile ripotenziare un impianto a vapore

preesistente mediante l’utilizzo di una turbina a vapore, creando coì un ciclo combinato.

La maggior parte delle installazioni a vapore vedono impiegati generatori di vapore a letto fluido, che

consentono l’utilizzo di una grande varietà di combustibili solidi, tra i quali spiccano il classico carbon

fossile, le biomasse e i rifiuti solidi urbani. I combustori a letto fluido non producono NOx grazie alle

alte temperature di combustione (oltre i 900°C) e non necessitano di successive depurazioni dei fumi

dato che nel letto fluido su cui posa la combustione sono presenti vari sorbenti (come la calce) per

l’assorbimento degli ossidi di zolfo.

6-L’ottimizzazione degli impianti turbogas è strettamente dipendente dalla possibilità di

incrementare la temperatura di ingresso in turbina (TIT). Il candidato illustri i passi compiuti in questi

anni nella:

- Ricerca e sviluppo di materiali ad alta resistenza termomeccanica e chimica;

- Refrigerazione delle parti della macchina più esposte ai gas caldi.

Al fine di aumentare la temperatura di ingresso in turbina occorre evitare che questo aumento sia

dannoso per le parti della turbina stessa. In particolare le palettature della turbina devono offrire

opportuna resistenza alle temperature, alle sollecitazioni meccaniche ed alla corrosione e non

devono risentire dello scorrimento viscoso, rischio più grande per le pale in un TG. Perciò sono stati

sviluppati materiali sempre più avanzati a partire dai primi componenti in acciai altolegati, che però

consentiva temperature nell’ordine dei 500-600°C. Sono stati poi messi a punto componenti in

superleghe a base di nichel, resistenti fino a 800°C e sono in fase di sviluppo componenti in materiali

ceramici, che consentirebbero di sopportare temperature prossime ai 2000°C. Tuttavia il costo di

questi ultimi e la complessità delle geometrie delle moderne palettature fanno si che i componenti

statorici e rotorici in superleghe di nichel siano attualmente i più affidabili, le loro prestazioni sono

migliorate da processi di solidificazione direzionale in fase di costruzione, da rivestimenti esterni

ceramici e da sistemi di raffreddamento.

Il raffreddamento delle palettature delle turbine a gas è affidato ad aria compressa o ad

acqua/vapore. I sistemi di raffreddamento si suddividono in interni o esterni a seconda se il

refrigerante colpisce le pareti interne od esterne della pala e a circuito chiuso o aperto, a seconda se

è previsto un ritorno del refrigerante o se questo viene dispero nel flusso principale. I sistemi a

circuito chiuso possono utilizzare l’acqua di alimento di un ciclo a vapore combinato e prelevare il

calore per il preriscaldo dalla turbina a gas (sperimentazione fatta dalla GE). I sistemi a circuito aperto

sono più semplici poiché non necessitano si circuiti di ritorno, l’effetto refrigerante in alcune zone

della pala è più efficace e vi è un parziale recupero del calore e del flusso spesi in refrigerazione nella

fase di espansione. I sistemi di raffreddamento più comuni sono la convezione interna (dove il flusso

refrigerante passa in canali interni alla pala, più complessi sono i canali, come nel caso del multipass,

più lo scambio è efficace), l’impingement (dove le cavità interne alla pala sono racchiuse in una

camicia forata che permette all’aria ad alta pressione di colpire la parete interna della pala) ed il film

cooling (il sistema più diffuso, si viene a creare un film protettivo di refrigerante sulla superficie

esterna della pala attraverso fori sulla sua superficie da cui il refrigerante esce in pressione, è il

sistema più efficace e meno dispendioso di energia, tuttavia occorre un’attenta progettazione e le

pale devono essere mantenute pulite da fumi e carburante). In fase di studio è la tecnica della

traspirazione, che permetterebbe, almeno teoricamente, di raggiungere la massima capacità

refrigerativa attraverso l’utilizzo di materiali porosi (per lo più ceramici) che consentirebbero il

raffreddamento ottimale, tuttavia è difficile reperire materiali con le caratteristiche di buona porosità

e ottima resistenza meccanica. Importante è tenere conto del contributo energetico necessario per

la fornitura del refrigerante, infatti nella maggior parte dei casi il raffreddame