Impianti a vapore

Impianto

• 1-2-3-4: Riscaldamento, evaporazione, surriscaldamento → G.V.
• 4-5: Espansione → Turbina
• 5-0: Condensazione → Condensatore
• 0-1: Compressione → Pompa

Impianto con degasatore

Impianti con spillamenti rigenerativi

Esercizio

1. Bilancio energetico dell'impianto
2. Consumo annuo di combustibile
3. Bilancio energetico ai fumi ed determinare la portata di fumi
4. Portata d'acqua condensata
5. L'influenza della pressione condensazione sull'espansione se p_f = 0,05 bar o p_f = 0,10 bar

- Determino le h, e e s che mancano nei punti noti (tutti tranne punto 3 e 5). Quindi determino il punto 3: T₃ = T_u = 321 °C, p₃ = p_u = p_s = 87 bar, m_v3 = m_v4 = m_v2 = 254,13 kg/s, x₃ = 1. Quindi determino il punto 5: T_S = T₃ = T_u = 321 °C, p_S = p₃ = p_u = 87 bar, m_S = m_g3 = m_g4 = m_g2 = 233,29 kg/s.

- Determino la potenza elettrica (P_el): R_gh = m₁ ⋅ (h₁ - h₂) + m₂ ⋅ (h₂ - h₃) + (m₃ - m₄) ⋅ (h₁ - h₂) + (m_S - m₄) ⋅ (h_S - h₁) + m_g ⋅ (h_S - h₀) + (m_g - m₀) ⋅ (h₀ - h_A) + (m₅ - m₇₀ - m₆) ⋅ (h₂₂ - h₂₁).

- Determino la potenza termica (P_th) data ai fluidi.

- Determino la potenza termica introdotta con il combustibile PNL. Potenza termica = 75861 MW, P_{th, comb} = P_e.

- Consumo annuo di combustibile: Carbone = 6000 kcal/kg = 25161 kJ/kg.

\[ \dot{m}_v = \frac{P_{th, comb}}{Hv} \quad \dot{m}_v = 30,25 \, \text{Kg/h}\]

\[ \dot{m}_{v, annuo} = 30,25 \, \text{Kg/h} \times 3600 \times 0,108,3 \, \text{t/h} \]

Per determinare la portata annua devo ipotizzare un fattore di carico: una pompa può essere 75%: 6570 ore/anno equivalenti.

\[ \dot{m}_{v, annuo} = \dot{m}_v \times \frac{0,108,3}{0,1} \times 6570 = 745,473 \, \text{t/anno} \]

1. Determinare il rendimento elettrico dell'impianto

P_el = 383,4 L, P_{th, comb} = 753,61 L.

Bilancio energetico G.V. e la portata dei fumi

\[ \dot{m}_{comb} = \dot{m}_{aria} + \dot{m}_{c} \]

Rapporto di stechiometria: EX aria, \(\dot{m}_{gf,aria} = \Delta = \frac{\dot{m}_v \times 40,8}{32,25} = 328,7 \, \text{kg/h}\)

\(\dot{m}_{comb} = \dot{m}_{aria,st} + (1+0,2) = 392,04 \, \text{kg/h}\)

\(\dot{m}_{comb} = \dot{m}_{comb,st} + \dot{m}_v = \frac{392,04}{30,25} = 1,22,3 \, \text{kg/h}\)

4. Portata di acqua condensatrice

\[ P_{th,cond} = \dot{m}_{fg} (h_3 - h_1)_c \dot{m}_v (h_{32} - h_{31}) \]

\(\dot{m}_v (h_{32} - h_{31})\)

\(\dot{m}_{fg}(h_3-h_{11}) = \dot{m}_v \times 1,48\)

\(\dot{m}_{fg} = \dot{m}_{H2o,cond} = 3145 \, \text{kg/m}^3 = 3,145 \, \text{m}^3/h\)

\(\dot{m}_{fg} = 3,145 \, \text{kg/m}^3 (35-25) \, \text{°C} = \Delta T = 40\, \text{°C}\)

\(\dot{m} = \dot{m}_v (h_3 - h_5) = 50,38\%\)

5- Capire cosa succede se p=0,05 bar

\[ M_i = \frac{h_{n2}-h_{n3}}{h_{n2}-h_{as}} \]

\(p_{13}= 0,05 \, \text{bar}, \, h_{13,13}= 2324,4 \, \text{Kj/kg}\)

\[ M_{12}= \frac{2514,7-2363,8}{2514,7-2341,4}=0,8 \]

Se \(p_{cond}= 0,1 \, \text{bar}\), \(s_{12}= s_{13}= 7,6245 \, \text{KJ/(Kg K)}\)

\(p_{13}= 0,1 \, \text{bar}\), \(h_{13,13}= 2464,7 \, \text{Kj/Kg}\) se \(n_{13}= 0,8\) → \(h_{13}= 2414,7,88 \, \text{Kj/Kg}\)

P_el(p_cond+0,1 bar)=...+(\(\dot{m}_{sis}-\dot{m}_{VAPO}-\dot{m}_{ían}-\dot{m}_{ün}\))⋅(h_h2-h_a)=325,865 MW contro 338 MW −13 MW

Il generatore di vapore

Il generatore di vapore è il componente dell'impianto termoelettrico che lega i due circuiti di cui è composto (l'impianto).

Questi due circuiti sono:

• Circuito aria-fumi
• Circuito acqua-vapore

Tra questi due circuiti c'è sempre una separazione fisica attraverso delle pareti.

Circuito Acqua-Vapore

Il processo di evaporazione è lento quindi il rapporto di circolazione è almeno di 5: se 5 m entrano 25g kg devono essere 4500 kg e c'è un accumulatore cioè cicl corpo cilindrico.

Componenti principali del circuito acqua-vapore

1. Economizzatore
2. Corpo cilindrico
3. Evaporatore
4. Surriscaldatore
5. Risciacaldatore

Componenti principali del circuito aria-fumi

1. Camera di combustione e bruciatori
2. Preriscaldatore dell'aria

Economizzatore

Ha il compito di riscaldare il fluido fino alle condizioni prossime all'evaporazione. Si trova nelle parte termivale del generatore di vapore. Scambia con fumi relativamente freddi. Si compone con tubi non alettati (per contenere lo scambio termico e non forzare i tubi che sono prevelenti -> AISI 341/316). Invia il fluido al corpo cilindro. Non conviene scaldare troppo il fluido perché non deve avere troppo vapore per le carrozzerie dei waterdeali del tubi e per avere in seguito un buono scambio termico.

Corpo cilindrico

Evaporatore

Ha il compito di portare ad ebollizione il fluido. Riceve il fluido (acqua) dal corpo cilindrico. Restituisce il fluido (vapore saturo umido) al corpo cilindrico. Viene realizzato con tubi membranati. Costituisce le pareti della camera di combustione.

Camera di combustione e bruciatori

I tubi membranati che costituiscono l'evaporatore vengono sagomati per alloggiare quei "gusci" che iniettano il combustibile i quali sono disposti in più piani bruciatori. Tre o più piani bruciatori dove in ognuno ci sono tutti i tipi di bruciatori: garantiscono la teoria dei gas dinamica. L'effetto turbolento in tutta l'altezza che è stabile all'interno della camera di combustione. Quando incontrano i corpi SH, le particelle più pesanti sono cadute e, quelle, più fini, non si depositano (o almeno non tutte). Turbolenza = Buon coeff. di scambio termico.

Preriscaldatore dell'aria

L'aria di combustione viene preriscaldata mediante uno scambiatore Ljungstrom e, quindi, inviata ai bruciatori (si trova nelle immediate vicinanze del generatore di vapore).

Surriscaldatore

Ha il compito di surriscaldare il fluido. È appeso al cielo della caldaia. Si compone di più pacchi. Le tubazioni sono esposte sia ai fumi caldi che relativamente freddi. Impianto di piccola potenza: il vapore surriscaldato viene inviato in turbina. Impianto di media-grande potenza: il vapore surriscaldato viene inviato alla turbina ad alta pressione, dove espande fino ad una pressione pari ad 1/5 della massima (~) fusina: 200 MW - espande da 140 a 35 bar circa, quindi il vapore espanso rientra nel Gv per il risurriscaldamento.

Riscaldatore

Ha il compito di riscaldare il vapore per poterlo poi espandere nella turbina di media e bassa pressione (fino a bassa pressione) senza incorrere in rischi di goccia.

Turbine

• Vengono mantenute sempre in rotazione (lentamente) anche quando non lavora perché altrimenti l'albero flette (5-30 giri/min, in base alla temperatura).
• Sono presenti delle tenute per non far entrare aria in turbina (alzerebbe la temperatura di condensazione).

Condensatore

Esistono due tipi di condensatori:

1. Ad acqua (es. fusina) nei quali si pesca l'acqua da un bacino e la si usa per abbassare la temperatura dei vapori.
2. A torre evaporativa
   1. A tiraggio naturale: l'aria entra naturalmente alla base, l'acqua viene spruzzata in modo che si raffreddi.
   2. A tiraggio forzato

Pompa di estrazione del condensato e pompa di alimento

Preriscaldatori di bassa e alta pressione

Degasatore