UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA. 4. Sistemi Termici Motori Sistemi Motori a Vapore. Roberto Lensi

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1 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 1 di 24 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Roberto Lensi DIPARTIMENTO DI ENERGETICA Anno Accademico

2 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 2 di 24 VAPORE SATURO Fig. 1 - Diagramma di Clapeyron del vapore Fig. 2 - Diagramma entropico del vapore Fig. 3 - Scambi termici a pressione costante Fig. 4 - Diagramma entalpico del vapore Fig. 5 - Diagramma (exergia fisica - entalpia) del vapore

3 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 3 di 24 VAPORE D'ACQUA SATURO Fig. 7 - Curva di saturazione liquido-vapore dell'acqua per pressioni inferiori alla pressione atmosferica Fig. 6 - Curva di saturazione liquido-vapore dell'acqua Fig. 8 - Diagramma di Clapeyron del vapor d'acqua Fig. 9 - Diagramma entropico del vapor d'acqua Fig Diagramma di Mollier del vapor d'acqua

4 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 4 di 24

5 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 5 di 24 C e b s T U K p.c. Pe Z Pa Legenda Caldaia (Generatore di vapore) Economizzatore (riscaldamento acqua) Boiler (evaporazione acqua) Surriscaldatore (surriscaldamento vapore) Turbina a vapore Utilizzatore d'energia meccanica (alternatore) Condensatore del vapore Pozzo caldo del condensatore Pompa di estrazione del condensato Serbatoio d'acqua (fittiziamente aperto) Pompa di alimentazione acqua in caldaia Fig Schema d'impianto motore a vapore (circuito elementare)

6 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 6 di 24 Generatore di vapore Fig Ciclo Hirn nei diversi piani termodinamici 3-4 espansione adiabatica reversibile (isoentropica) 3-4' espansione adiabatica irreversibile Nel piano di Mollier (h-s) si suppongono coincidenti col punto 5 anche i punti 0 e 1' (ciò equivale a trascurare il lavoro assorbito dalle pompe P e e P a )

7 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 7 di 24

8 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 8 di 24 RISURRISCALDAMENTO DEL VAPORE Fig Schema d'impianto motore a vapore con risurriscaldamento A 1 C S S' A 2 T AP T BP U A 3 K Pe Z Pa Legenda Regione: generatore di vapore Caldaia (Generatore di vapore) Surriscaldatore (surriscaldamento vapore) Risurriscaldatore del vapore Regione: sala macchine Turbina a vapore di Alta Pressione Turbina a vapore di Bassa Pressione Utilizzatore energia meccanica (alternatore) Regione: condensatore e pompe Condensatore del vapore Pompa di estrazione del condensato Serbatoio d acqua (fittiziamente aperto) Pompa di alimentazione acqua in caldaia Fig Ciclo Hirn con risurriscaldamento Fig Ciclo Hirn con risurriscaldamento Fig Ciclo Hirn scomposto in cicli parziali

9 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 9 di 24 SPILLAMENTI DI VAPORE Fig Rigenerazione mediante spillamenti di vapore Fig Scambio di calore rigenerativo Fig Prelievo isobaro di vapore Fig Schema d'impianto e ciclo Hirn nel piano di Mollier, per un unico gradino di rigenerazione

10 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 10 di 24 Fig Incremento di rendimento per rigenerazione continua e per un unico gradino di rigenerazione, in funzione del grado di rigenerazione Fig Ciclo Hirn sul piano entropico, per un unico gradino di rigenerazione Fig ciclo Hirn sul piano di Mollier, per due gradini di rigenerazione Fig Schema d'impianto con due gradini di rigenerazione Grado di rigenerazione: R = ( h h ) /( h h ) x Fig Incremento di rendimento per rigenerazione continua e per uno, due, tre e quattro gradini di rigenerazione, in funzione del grado di rigenerazione

11 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 11 di 24 Fig Incremento percentuale di rendimento in funzione del calore fornito all'acqua di alimento mediante rigenerazione Fig Schema d'impianto motore a vapore con risurriscaldamento del vapore e 6 spillamenti rigenerativi Fig. 26 Fig Schema d'impianto motore a vapore con 4 scambiatori rigenerativi a superficie, due di alta pressione (R 1 e R 2 ) e due di bassa pressione (R 4 e R 5 ), ed 1 rigeneratore a miscelazione (R 3 ) a pressione intermedia con funzione di degasatore e di serbatoio di accumulo Fig. 27 Fig. 28

12 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 12 di 24 Fig Gruppi a vapore unificati Enel (sottocritici e sovracritici) Fig Determinazione della pressione massima ottimale per un ciclo Rankine Fig Determinazione della pressione massima ottimale per un ciclo Hirn

13 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 13 di 24 GENERATORI DI VAPORE Fig Schema del circuito aria-fumi nei grandi generatori di vapore Fig Schema del circuito acqua-vapore nei grandi generatori di vapore

14 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 14 di 24 Fig Preriscaldatore dell aria comburente (Ljungström) Fig Rappresentazione schematica di un generatore di vapore surriscaldato subcritico

15 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 15 di 24 Fig Generatore di vapore: flussi energetici Fig Generatore di vapore: tiraggio bilanciato

16 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 16 di 24 COMBUSTIBILI

17 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 17 di 24 PROCESSI DI COMBUSTIONE Fig Combustione adiabatica Fig Irreversibilità di combustione adiabatica Fig Riduzione delle irreversibilità mediante preriscaldamento dei reagenti Fig Irreversibilità di combustione non adiabatica

18 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 18 di 24 ANALISI ENERGETICA DEL GENERATORE DI VAPORE Fig Schema dei trasferimenti di materia e di energia che interessano la CR oggetto di studio Fig processo termodinamico dell acqua-vapore che attraversa la CR oggetto di studio

19 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 19 di 24 MOTRICI DINAMICHE (TURBINE) Fig Processo di espansione (a) control region; (b) diagramma di Grassmann; (c) caso adiabatico, ideale e reale Fig Espansione adiabatica 1-2' caso ideale; 1-2 caso reale Fig Processi di espansione adiabatica rendimento exergetico e rendimento isoentropico

20 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 20 di 24 Fig Rappresentazione di una espansione adiabatica reversibile in uno stadio di turbina a reazione. 0-1 Espansione nell'ugello. 1-2 Espansione nei condotti mobili. Fig Rappresentazione schematica di uno stadio di turbina assiale. 1 Ugello o boccaglio (statore). 2 Condotti mobili (rotore)

21 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 21 di 24 Fig Rappresentazione polare dei triangoli di velocità relativi ad uno stadio di turbina assiale ad azione Fig Rappresentazione polare dei triangoli di velocità relativi ad uno stadio di turbina ad azione in condizioni di massimo rendimento (scarico assiale)

22 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 22 di 24 Fig Stadio a reazione di una turbina assiale 1 paletta statorica; 2 paletta rotorica Fig Rappresentazione polare dei triangoli di velocità relativi ad uno stadio di turbina assiale a reazione (con grado di reazione R = 0,5) in condizioni di massimo rendimento (scarico assiale)

23 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 23 di 24 Fig Turbina a vapore da 700 MW (si noti in primo piano il corpo di alta pressione seguito da quello di media pressione a doppio flusso il quale precede i due corpi di bassa pressione tra loro in parallelo ed entrambi a doppio flusso)

24 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.1. Sistemi Motori a Vapore Pag. 24 di 24 BIBLIOGRAFIA Acton, Caputo, "Introduzione allo studio delle Macchine", UTET, Torino, Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Krieger, Melbourne (Florida), Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, INDICE Frontespizio...1 Vapore saturo...2 Vapore d'acqua saturo...3 Risurriscaldamento del vapore...8 Spillamenti di vapore...9 Generatori di vapore...13 Combustibili...16 Processi di combustione...17 Analisi energetica del generatore di vapore...18 Motrici dinamiche (turbine)...19 Bibliografia...24 Indice...24

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