Corso di Sistemi Energetici L

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1 Corso di Sistemi Energetici L Esame del È assegnato un ciclo combinato cogenerativo basato su un ciclo a vapore a recupero a contropressione con singolo livello di evaporazione. Durante la stagione invernale, l impianto riscalda acqua surriscaldata inviata all utenza termica per il riscaldamento di un utenza civile. Durante la stagione estiva, l acqua surriscaldata è utilizzata per produrre acqua refrigerata per condizionamento tramite un ciclo frigorifero ad assorbimento. Sono noti i seguenti dati: Proprietà dei gas in ingresso all HRSG: G=50 kg/s, T=450 C, c p =1.1 kj/kg K Pressione di evaporazione: 40 bar Vapore surriscaldato in ingresso in turbina: 36 bar, 420 C, h= kj/kg ΔT caratteristici nella caldaia a recupero: ΔT pinch point =10 C, ΔT subcooling =10 C Calore specifico dell acqua satura a 40 bar = 4.81 kj/kg K Perdite di carico dell acqua nell economizzatore = 10 bar Perdite termiche dall HRSG = 0.5% del calore ceduto Rendimento idraulico ed elettro-meccanico della pompa = 75% e 92% rispettivamente Temperature dell acqua surriscaldata in ingresso e uscita dall impianto cogenerativo = C COP del ciclo frigorifero ad assorbimento = 0.7 Coefficiente di scambio globale di evaporatore e surriscaldatore = 400 W/m2K (riferito alla superficie interna dei tubi) Coefficiente di scambio termico globale nel condensatore = 4000 W/m2K Si chiede quanto segue, assumendo opportuni valori per eventuali dati mancanti: a) Si tracci lo schema di impianto del ciclo a vapore e il diagramma del ciclo sul piano T-s fornito (10 punti) b) Si calcoli la potenza elettrica netta del ciclo a vapore e il calore fornito all utenza nella stagione invernale (15) c) Si calcoli la potenza frigorifera fornita all utenza nella stagione estiva (2) d) Si calcoli il lavoro reversibile (cioè l exergia, senza tenere in considerazione l entropia di miscelamento) dei fumi rilasciati al camino della caldaia a recupero, considerando una temperatura ambiente di 15 C (8) e) Si calcoli la superficie di scambio di evaporatore e surriscaldatore della caldaia a recupero (10) f) Si calcoli la superficie di scambio del condensatore del ciclo a vapore (nel caso risulti vapore surriscaldato all ingresso del condensatore, se ne trascuri l effetto in questo calcolo) (5) g) Si calcoli la pressione di condensazione nel caso in cui l utenza richieda metà della potenza termica nominale, assumendo che le temperature dell acqua surriscaldata rimangano invariate rispetto al caso nominale (10) Nota per la risoluzione dell esercizio per gli studenti che hanno partecipato alle attività di gruppo: è possibile scegliere di svolgere i punti b-c-d oppure i punti e-f-g. Tutti gli studenti devono svolgere il quesito a. In caso di svolgimento dei punti e-f-g, si considerino condizioni di vapore saturo all ingresso del condensatore nel quesito f. 2. Si discuta l effetto di pressione di evaporazione e temperatura di surriscaldamento su rendimento e costi di impianto di ciclo Rankine a vapore basato su caldaia a combustione. Si indichino valori tipici derivanti da ottimizzazione economica per grandi centrali a carbone. (20) 3. Si scriva l equazione per il calcolo della temperatura adiabatica di fiamma, esplicitando il potere calorifico inferiore del combustibile. Si indichi l effetto dell eccesso d aria e della temperatura dell aria di combustione sulla temperatura adiabatica di fiamma. (20)

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3 cen84959_ap01.qxd 4/27/05 2:59 PM Page Thermodynamics TABLE A 5 Saturated water Pressure table Press., temp., liquid, vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, P kpa T sat C v f v g u f u fg u g h f h fg h g s f s fg s g

4 cen84959_ap01.qxd 4/27/05 2:59 PM Page 893 TABLE A 5 Saturated water Pressure table (Continued) Appendix Press., temp., liquid, vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, P kpa T sat C v f v g u f u fg u g h f h fg h g s f s fg s g , , , , , , , , , , , , , ,

5 cen84959_ap01.qxd 4/27/05 2:59 PM Page Thermodynamics TABLE A 4 Saturated water Temperature table Temp., press., liquid, vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, T C P sat kpa v f v g u f u fg u g h f h fg h g s f s fg s g

6 cen84959_ap01.qxd 4/27/05 2:59 PM Page 891 TABLE A 4 Saturated water Temperature table (Continued) Appendix Temp., press., liquid, vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, liquid, Evap., vapor, T C P sat kpa v f v g u f u fg u g h f h fg h g s f s fg s g , , , , , , , , , , , , , Source: Tables A 4 through A 8 are generated using the Engineering Equation Solver (EES) software developed by S. A. Klein and F. L. Alvarado. The routine used in calculations is the highly accurate Steam_IAPWS, which incorporates the 1995 Formulation for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use, issued by The International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS). This formulation replaces the 1984 formulation of Haar, Gallagher, and Kell (NBS/NRC Steam Tables, Hemisphere Publishing Co., 1984), which is also available in EES as the routine STEAM. The new formulation is based on the correlations of Saul and Wagner (J. Phys. Chem. Ref. Data, 16, 893, 1987) with modifications to adjust to the International Temperature Scale of The modifications are described by Wagner and Pruss (J. Phys. Chem. Ref. Data, 22, 783, 1993). The properties of ice are based on Hyland and Wexler, Formulations for the Thermodynamic Properties of the Saturated Phases of H 2 O from K to K, ASHRAE Trans., Part 2A, Paper 2793, 1983.