Turbine a gas Modifiche del ciclo

Transcript

1 urbine a gas Modifiche del ciclo Versione: Ultimo aggiornamento: 4 Aprile 2005 Realizzato da: C. Carcasci, B.Facchini, G. Manfrida esti di Riferimento Acton, Caputo, Introduzione allo studio delle turbomacchine, UE Pp Stecco, S., Impianti di Conversione Energetica, Pitagora Editrice (BO) Capitolo 2 - pp Caputo, C., Gli impianti motori termici, Ed. ESA Pp.78-95, cap. Cohen, H., Rogers, C.F.C., Saravanamutoo, H.I.H., Gas urbine heory, 4th edition. Longman Group 996 Pag.

2 Indice Argomenti Rigenerazione Interrefrigerazione Post combustione (Reheat) Ciclo Ericsson Iniezione di acqua Iniezione di vapore Cicli Rigenerativi-Evaporativi Pag. 2

3 Rigenerazione Ciclo ideale - Migliorare le prestazioni di un ciclo termodinamico significa. Incrementare il lavoro utile ( W u ) Incrementare il rendimento ( W u, Q ) La Rigenerazione sostituisce parzialmente lo scambio di calore superiore con un recupero di calore interno al ciclo Nel caso della turbina a gas, la rigenerazione é possibile utilizzando il calore sensibile dei gas di scarico La portata d'aria alla mandata del compressore (punto 2) viene preriscaldata, prima dell'ingresso in camera di combustione, mediante recupero termico dai gas di scarico I gas combusti che lasciano la turbina devono avere una temperatura maggiore di quella dell aria di fine compressione Pag. 3

4 Rigenerazione Ciclo ideale -2 Per la rigenerazione risulta necessaria l introduzione di uno scambiatore rigenerativo aria/gas combusti Effetto negativo: perdite di pressione Sia lato aria che lato gas Ampie superfici di scambio (a causa di valori ridotti del coefficiente di scambio termico gas/gas) La rigenerazione non è sempre possibile Condizione necessaria affinché sia possibile è che la temperatura di scarico dei gas dalla turbina sia maggiore della temperatura di uscita del compressore 4 > 2 Nel piano -s, l area sottesa dalle isobare nei tratti (4- E) e (2-B) risulta uguale ( Area (A2BC)=Area (DE4F)) S Pag. 4

5 Rigenerazione Ciclo ideale -3 Grado di rigenerazione è definito come rapporto fra il calore recuperato e quello massimo recuperabile: R = h h 4 4 h h E 2 = c c p4e p42 ( 4 E ) ( ) 4 2 Gas perfetto Il massimo calore recuperabile corrisponde al salto di temperatura dei gas combusti da 4 (scarico gas) a 2 (uscita dal compressore) Di frequente si hanno valori di R compresi tra 0.6 e 0.8 Sono giustificati da considerazioni di carattere economico legate al contenimento delle superfici di scambio dq = ds = dh = c p d Pag. 5 S

6 Pag. 6 Dipartimento di Energetica S.Stecco Rigenerazione Ciclo ideale -4 Rendimento del ciclo completamente rigenerato Espressione del rendimento per R = 4 = B e E = , Q Q B E R id = = = = η ( )( ) = = = = , β β β β η ε ε ε ε β τ τ τ ε R id = = τ β η ε id,r S

7 Rigenerazione Ciclo ideale -5 Al crescere di β, il rendimento del ciclo rigenerato diminuisce Il rendimento massimo si ha per β= ed è pari a η R= =-/τ Nel caso limite β= si ottiene il rendimento del ciclo di Carnot che evolve fra la temperatura massima di ciclo 3 e la temperatura minima Il caso β= é un ciclo senza compressione, nè espansione (lavoro prodotto nullo), che si può completamente rigenerare Si ha convenienza a realizzare cicli rigenerati per G con Bassi rapporti di compressione Elevate temperature massime Il lavoro specifico del ciclo ideale rigenerato non varia rispetto al ciclo semplice τ 0.75 γ=.4τ=3.0 -ε ( =864.5K) τ=4.0 ( 3 =52.6K) τ=5.0 ( 3 =440.8K) τ=6.0 ( 3 =728.9K) η R= τ -ε =3 -ε β Pag. 7 τ -ε =4 -ε

8 Rigenerazione Ciclo ideale -5 Si confronta l espressione del rendimento del ciclo ideale rigenerato (R=) con quella del rendimento del ciclo semplice (ovvero del ciclo con R=0) (η id =-β -ε ) I due rendimenti si eguagliano per β=β*=τ /(2ε) Per questo valore di β, 4 = 2 ed il ciclo Joule non risulta più rigenerabile Oltre tale rapporto di compressione la temperatura allo scarico della turbina risulta inferiore alla temperatura di mandata del compressore (Rigenerazione impossibile). Il rapporto di compressione β* è lo stesso valore per il quale si massimizza il lavoro specifico W u /c p, η τ /2ε =4 /2ε τ /2ε =6 /2ε γ=.4 W τ=4.0 ( 3 =52.6K) W τ=6.0 ( 3 =728.9K) η R=0 η R= τ=4.0 η R= τ=6.0 η id =-β -ε log 0 (β) Pag. 8

9 Rigenerazione Ciclo ideale -2 Rendimento del ciclo rigenerato Si riporta l'andamento del rendimento ideale del ciclo rigenerato a τ costante in funzione di β in funzione di R (spesso compreso tra 0,6 e 0,8) Per rapporti di compressione superiori a β*=τ /(2ε), la rigenerazione risulta impossibile e risulta più conveniente il ciclo semplice (R=0) La curva del rendimento è molto piatta per β < β* Pag. 9

10 Rigenerazione Considerazioni sul Ciclo reale Valutando la rigenerazione nel ciclo reale si devono tener presente diversi aspetti Se il rendimento del compressore peggiora, il calore rigenerabile si riduce Se il rendimento di turbina peggiora, il calore rigenerabile aumenta Esistono perdite di pressione interne allo scambiatore Lato aria (a monte della camera di combustione) Lato gas (A valle della turbina contropressione allo scarico) A parità di rapporto di compressione complessivo β, si riduce il salto di pressione effettivamente sfruttabile dalla turbina Diminuisce il lavoro utile (area del ciclo) Pag. 0

11 Mappe di prestazioni dei turbogas nel ciclo rigenerato Le condizioni ottimali per il rendimento - a max costante - vengono raggiunte per rapporti di compressione contenuti Infatti il rendimento delle turbine a gas a ciclo rigenerato aumenta al diminuire di ß Per valori di ß più elevati si raggiunge il massimo del lavoro specifico Le curve (al crescere di ß) sono percorse in senso orario β Verso antiorario per il ciclo semplice! Pag.

12 Casi applicativi - La rigenerazione diminuisce la temperatura dei gas allo scarico e quindi la macchina con tale modifica non si presta all introduzione di un ulteriore impianto in cascata (caso di impianto combinato e/o cogenerazione) Le turbine a gas rigenerate non sono molto diffuse Di recente la Solar ha sviluppato la turbina a gas Mercury 50 urbina a gas rigenerata ad alta efficienza (40%) Basso rapporto di compressione Potenza generata 4.3MW Pag. 2

13 Casi applicativi -2 Altre turbina a gas rigenerate sono generalmente di piccola taglia Applicazioni per autotrazione Applicazioni ferroviarie Un esempio degli anni 60 è riportato sotto Pag. 3

14 Interrefrigerazione della compressione Per aumentare il lavoro utile è vantaggioso diminuire il lavoro assorbito dal compressore Il modo più efficace per contenere il lavoro di compressione è l'adozione di uno o più raffreddamenti intermedi nel corso della compressione Il secondo compressore opera su un fluido di densità più elevata a seguito del raffreddamento L ideale isoterma sarebbe avere una compressione Si ha un aumento del lavoro specifico Diminuisce nel complesso il lavoro di compressione Pag. 4

15 Interrefrigerazione - Analisi delle prestazioni del ciclo Cresce la potenza (ciclo ideale) Nel piano /S, si può notare l aumento dell area pari al ciclo II Nel piano H/S, si può notare come il salto di entalpia della seconda compressione risulta minore del caso non interrefrigerato» (h 4 -h 3 )<(h 7 -h 2 ) La potenza aumenta anche nel caso del ciclo reale (anche considerando la perdita di pressione, che riduce l effetto utile) h h 34 h 27 Pag. 5

16 Interrefrigerazione ciclo Ideale -2 Il rendimento nel ciclo ideale e limite diminuisce Nel ciclo ideale si può constatare che il ciclo interrefrigerato è costituito da due cicli Joule affiancati. Il primo evolve tra le pressione p A e p C» coincide col ciclo semplice senza interrefrigerazione ε» Rendimento: Il secondo evolve tra le pressione p B e p C ε» Rendimento: Risulta che η II <η I (minor β) p η = p p η = 2 p Il rendimento del ciclo (media pesata tra i rendimenti η II,η I con pesi i calori scambiati con la sorgente superiore) è inferiore a η I C B C A Pag. 6

17 Interrefrigerazione ciclo reale Si può dimostrare, invece, che nel caso reale si possono avere dei benefici in termini di rendimento Dipende dai valori dei rendimenti di compressione e dalla scelta del livello intermedio di pressione Se la 3-4 e la 2-7 sono politropiche con lo stesso esponente m S S = S 8 4 = S 9 7 = 8 3 = 9 2 CICLO (3472) = CICLO (8479) Il ciclo 2 reale equivale ad un ciclo ideale che evolve tra isobare più distanziate p η2 = p η < η 2 Pag. 7 C D ε

18 Interrefrigerazione alcune considerazioni L'interrefrigerazione incrementa la possibilità di rigenerazione Si abbassa la temperatura alla mandata del compressore l'adozione dell'interrefrigerazione può essere una soluzione per rendere rigenerabili turbogas ad alto rapporto di compressione Generalmente, la temperatura di ingresso del secondo compressore è di poco superiore a quella ambiente Lo scambiatore di calore necessita di un fluido di raffreddamento a temperatura ambiente (in genere acqua) Pag. 8

19 Interrefrigerazione Mappe di prestazioni Si può constatare un aumento del lavoro specifico, caratteristico di queste soluzioni Al crescere della 3 il rendimento risulta ottimizzato per valori di β molto elevati Al di fuori dell attuale campo di interesse β Verso antiorario come per il per il ciclo semplice! Pag. 9

20 Interrefrigerazione Applicazioni Le applicazioni più moderne dell'interrefrigerazione prevedono l adozione di un β molto contenuto nella prima fase di compressione β =.6-3; in pratica dopo 3-5 stadi nel caso di compressori assiali In tal modo è possibile conseguire nel ciclo reale vantaggi anche sul rendimento Importanti applicazioni sono nel campo della propulsione navale ad alta velocità Rolls Royce RB2 (aeroderivata; interrefrigerazione con rigenerazione) In impianti turbogas di tipo complesso Cicli ad aria umidificata Cicli combinati con gassificazione del carbone Pag. 20

21 PostCombustione ( Reheat ) Per aumentare il lavoro utile si può aumentare il lavoro generato dalla turbina È possibile installare un secondo combustore dopo una parziale espansione ( Reheat ) Ciò è consentito dall'ampia disponibilità di ossigeno residuo nei gas allo scarico della turbina La prima camera di combustione lavora con un eccesso di aria complessivo elevato (α = 40 60) Con la seconda iniezione di combustibile si innalza la temperatura dei gas a valori anche molto elevati nel caso della propulsione aeronautica, in quanto l espansione successiva avviene in un organo statico (ugello propulsivo) Nel caso di applicazioni terrestri, la temperatura della seconda combustione risulta limitata a quella massima della prima combustione 3 din quanto dopo la seconda combustione si ha una seconda turbina a gas Pag. 2

22 Postcombustione Reheat - Cresce la potenza Nel piano /s (ciclo ideale), si può notare l aumento dell area (ciclo II) Nel piano h/s, si nota l incremento del salto di entalpia della seconda espansione La potenza aumenta anche nel caso del ciclo reale Il rendimento nel ciclo ideale diminuisce Nel caso ideale il ciclo con reheat è costituito da due cicli Joule affiancati. Avendo il II ciclo un rapporto di compressione minore, risulta che η II <η I Il rendimento complessivo di ciclo (media pesata rispetto ai calori forniti) risulta inferiore a η I Il rendimento diminuisce anche nel ciclo reale Ciclo II S Pag. 22

23 Reheat- Postcombustione considerazioni La realizzazione del reheat-postcombustione è facilitata (rispetto all interrefrigerazione) dalla semplicità e compattezza dell'impianto In campo aeronautico,la postcombustione è una tecnica sviluppata ed applicata largamente nel campo della propulsione aeronautica supersonica Non richiede componenti aggiuntivi (scambiatori di calore) e fluidi di raffreddamento La successiva espansione non avviene in turbina ma in un ugello propulsivo (componente fisso che può essere più agevolmente schermato e/o realizzato in materiale adatto per le altissime temperature) Nelle applicazioni terrestri, la postcombustione interessa soprattutto perché aumenta le possibilità di rigenerazione interna od esterna al ciclo Conseguenza dell'incremento di temperatura allo scarico della turbina L'adozione della postcombustione può essere interessante in impianti turbogas per usi cogenerativi o con recupero di calore allo scarico (cicli combinati) Pag. 23

24 Postcombustione curve di prestazione In questo caso rendimento e potenza specifica crescono sempre al crescere di ß β Pag. 24

25 Postcombustione - Applicazioni GE F0-00 Afterburning Militar urbofan Engine J79 urbojet Engine with Afterburner Militar urbofan Engine ABB G24/26 Heavy duty gas turbine with reheat W=79.0MW, η=38.2%, β=30, m exh =39kg/s, exh =93K Pag. 25

26 Iniezione di vapore o di acqua L'iniezione di vapore o di acqua è interessante per ottenere uno o più dei seguenti vantaggi: Aumento della potenza Aumento del rendimento Riduzione degli ossidi di azoto nei gas di scarico Si realizza mediante l iniezione di acqua o vapore a monte della camera di combustione. Può comporetare una forma di rigenerazione utilizzando il calore sensibile dei gas di scarico... L acqua iniettata può essere preriscaldata dai gas di scarico Il vapore può essere prodotto raffreddando i gas di scarico Pag. 26

27 Iniezione di di acqua L'impiego dell'iniezione di acqua a valle del compressore fu introdotto già negli anni 50 comporta un aumento di potenza rapidamente abbandonato nelle applicazioni aeronautiche, a causa della necessità di trasportare l'acqua da iniettare Riscoperto nelle applicazioni industriali negli anni 80 per i positivi effetti sulle emissioni inquinanti L aumento di lavoro specifico è dovuto all'incremento di portata e peso molecolare dei gas che espandono in turbina il lavoro del compressore risulta poco variato: è quindi certo l aumento della potenza. comporta diminuzioni del rendimento La quantità di calore assorbita dalla evaporazione è molto alta per unità di massa. Il raffreddamento evaporativo prima dell ingresso in camera di combustione diminuisce il valore medio della temperatura equivalente dello scambio termico superiore (aumentano le irreversibilità nella combustione) Pag. 27

28 Iniezione di vapore L'iniezione di vapore è positiva anche in termini di rendimento. La produzione del vapore avviene mediante un generatore di vapore a recupero alimentato dai gas di scarico della turbina a gas Rigenerazione L incremento di prestazioni può essere molto rilevante: 50-80% in termini di potenza 0-30% in termini di rendimento La soluzione è stata applicata su macchine aeroderivate impiegate nella cogenerazione di energia elettrica e termica in ambito industriale. (Allison/General Motors, 4/6 MWe; Kawasaki, 2/4 MWe GE: LM ; 20/45 Mwe Pag. 28