Impianti motori termici

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1 Impianti motori termici Classificazione: impianto motore termico con turbina a vapore il fluido evolvente nell impianto è acqua in diversi stati di aggregazione impianto motore termico con turbina a gas il fluido evolvente nell impianto è un gas impianto a motore a combustione interna alternativo il fluido evolvente è un gas ce viene periodicamente ricambiato impianto motore combinato 0

2 Impianti a vapore Fluido: acqua ce evolve nello stato di liquido, vapore o vapore surriscaldato. Scema elementare: quattro componenti fondamentali generatore di vapore turbina condensatore pompa di alimento Ciclo termodinamico di riferimento ciclo di Rankine

3 & Q P & Q Ciclo di Rankine Studio del ciclo limite (fluido reale e componenti perfetti) Q ass ' ; Qced 4 ; L L turb pompa L ; η R Q ass Q Q ass ced L Q ass ( 4 ) ( ' ' ) L turb 4 ; L pompa ' All interno dell impianto il fluido motore subisce un cambiamento di stato passando da liquido a vapore La fase di compressione avviene sul liquido mentre l espansione interessa il vapore. In tal modo il lavoro speso per la compressione e molto contenuto al punto di potersi trascurare in prima approssimazione I.V. 2

4 Impianti a vapore Metodi per incrementare il rendimento negli impianti a vapore Aumento della pressione massima Surriscaldamento del vapore (ciclo di Hirn) Risurriscaldamento del vapore Rigenerazione Riduzione della isobara inferiore

5 Surriscaldamento del vapore Ciclo di Hirn Una volta raggiunta la curva limite superiore il vapore viene surriscaldato prima di essere inviato in turbina il rendimento del ciclo è Q η R ass Q Q ass ced L Q ass i principali vantaggi sono: ( aumento del lavoro utile aumento del rendimento limite aumento del titolo del vapore allo scarico della turbina 4 ) ( ' ' ) Impianti a vapore aumento del rendimento 4

6 Impianti a vapore surriscaldato aumento del rendimento limite Il ciclo termodinamico può essere visto come somma di tre sottocicli (I, II, III) analogamente sia il calore fornito al ciclo ce il lavoro ottenuto possono essere scomposti in tre contributi: Q e Q I + Q II + Q III L e L I + L II + L III quindi il rendimento dell intero ciclo può essere scritto: LI + LII + L L III I L ηl η I II η II η Q + Q + Q Q Q I II III I II III L Q III III η IQ I + η II Q II + η III Q III ηl Q I + Q II + Q III Poicé η I < η II < η III il rendimento dell intero ciclo risulta essere incrementato. 5

7 Risurriscaldamento del vapore Impianti a vapore surriscaldato E possibile operare surriscaldamenti successivi oltre al primo. Il vapore, dopo una parziale espansione in turbina viene rinviato al generatore del vapore dove subisce un nuovo incremento della temperatura. I vantaggi di questo intervento sono analogi a quelli del singolo surriscaldamento mentre gli svantaggi sono legati alle grandi dimensioni delle tubature e degli scambiatori di calore del ri-surriscaldamento a causa dell incremento del volume specifico del vapore 6

8 Riduzione della pressione di condensazione L isobara di condensazione può essere abbassata ottenendo un benefico effetto sul rendimento del ciclo noncé sul lavoro ce può essere ottenuto. Questo è dovuto alle proprietà del vapore d acqua: le isobare isoterme di condensazione sono molto addensate alle alte pressione mentre risultano molto discoste ad alte temperature Una diminuzione della pressione di condensazione consente un incremento dell area sottesa dal ciclo Impianti a vapore aumento del rendimento η η 24 l 24 l 4 4 ( ) + ( 4 ) 4 4 ( ) + ( ) Il secondo rendimento è maggiore del primo poicé > 44 7

9 Impianti a vapore Condensatore Diminuendo la pressione di condensazione si ottiene una conseguente diminuzione della temperatura di condensazione da 00 C (p.0 bar) ad un valore inferiore (2 C a 0.05 bar). Il condensatore deve garantire la tenuta del vuoto N.B. In condizioni di condensazione il legame tra pressione e temperatura del vapore è univocamente determinato e la determinazione delle condizioni di condensazione viene praticamente determinata dalle potenzialità della sorgente fredda 8

10 Impianti a vapore Condensatore Condensatore Il condensatore è uno scambiatore di calore a superficie a correnti incrociate. Il vapore ce deve condensare lambisce i tubi al cui interno scorre il fluido refrigerante (acqua in circuito aperto o ciuso) e su questi condensa venendo raccolta nel pozzo caldo 9

11 Impianti a vapore Condensatore 20

12 Condensatore Bilancio termico Il flusso termico ce interessa il condensatore è: Q& cond r 4 x 4 dove r 4 è il calore latente di condensazione ed x 4 è il titolo del vapore allo scarico della turbina Questo calore deve essere smaltito dal condensatore: con S superficie totale di scambio termico e α coefficiente di scambio E deve essere ceduto all acqua refrigerante: m& αs( T vap Tacqua ) m& con c calore specifico dell acqua (c4.86 kj/kgk) a c v ( T T ) u i 2

13 Condensatore Bilancio termico Il bilancio termico del condensatore mette in evidenza il quantitativo di acqua necessario per soddisfare le esigenze del condensatore: m& m& a v c r ( T T ) u x 4 4 i 22

14 L acqua di raffreddamento come detto circola in circuito aperto o ciuso Condensatore impatto ambientale Circuito ciuso: il calore assorbito dall acqua di raffreddamento all interno del condensatore viene dissipato all interno di torri di raffreddamento 2

15 Torri di Raffreddamento 24

16 Condensatore impatto ambientale Circuito aperto: In questo caso (il più comune per impianti di media ed elevata potenza) l acqua di raffreddamento viene prelevata da una sorgente naturale (mare, fiume). La temperatura di ingresso dell acqua nel condensatore risulta pertanto determinata dalle caratteristice ambientali Non è possibile, inoltre, restituire acqua al suo flusso naturale ad una temperatura superiore a 0 C rispetto alla temperatura di prelievo A causa di queste limitazione la potenza dell impianto risulta essere determinata dalle condizioni al condensatore (a parità di condizioni di immissione del vapore in turbina). Infatti: la temperatura di condensazione viene determinata a partire dalla temperatura dell acqua di raffreddamento. la portata di vapore evolvente nell impianto viene determinata a partire dalla disponibilità di acqua 25

17 Potenza di un impianto a vapore Calcolo della potenza di un Impianto a Vapore P iv m& H η c i g m& H η ηηη c i b l i m η b m& v ( ) ( 4 ) ηl m& chi ( ) ( 4 ) ηi ( ) 4 P iv m& η v ( 4 ) m Consumo specifico di vapore c s vapore m& P v iv vapore ( ) kw 4 ηm kg 2.5 / Consumo specifico di combustibile m& c kgc bustibile / om 26 P H η kw iv i g

18 Condensatore: Impatto ambientale Riciesta d acqua refrigerante m& m& a v c r x kg acqua ( Tu Ti ) kgvapore Impianto di potenza 000 MW: m& m& m& c v a cond 6 6 kg / 250 t / kg / 2500t / t / t / acqua refrigerante 27

19 Rigenerazione Impianti a vapore aumento del rendimento η l ηiqi + ηiiq Q + Q I II II + η + Q III III Q III η < η < η I II III L idea fondamentale della rigenerazione è quella di ridurre al minimo l effetto del primo ciclo (riscaldamento dell acqua) sulla determinazione del rendimento del ciclo. Idealmente se si riuscisse ad annullare il calore scambiato nel primo ciclo Q I 0 il risultato sarebbe ottimale. Ciò non è possibile poicé sarebbe necessario operare la compressione su un fluido bifase con due effetti negativi: si riduce in modo sostanziale l effetto di diminuzione del lavoro di compressione e necessario disporre di una maccina operatrice ce operi, con rendimenti ottimali, su un fluido bifase. 28

20 Rigenerazione Rigenerazione ideale: idealmente è possibile fornire il calore necessario al riscaldamento dell acqua sottraendolo alla trasformazione di espansione e facendogli seguire una trasformazione isodiabatica con riferimento alla trasformazione di riscaldamento. Il calore fornito dall esterno al ciclo è dato pertanto dalla somma Q II +Q III ottenendosi ηiiq II ηl inoltre una diminuzione del calore fornito Q II alla sorgente a bassa temperatura + ηiiiq + Q III III 29

21 Rigenerazione In effetti la rigenerazione non può essere effettuata in modo continuativo durante l espansione del vapore. Non è infatti possibile effettuare contemporaneamente lo scambio di lavoro e la sottrazione di calore. Rigenerazione per spillamento Si preleva una porzione del vapore effluente in turbina (spillamento) e lo si invia ad un scambiatore di calore (a superficie o a miscela) nel quale fluisce l acqua di alimento ce viene pertanto riscaldata. Quindi, invece di sottrarre una parte del calore a tutto il fluido viene sottratto tutto il calore ad una parte del fluido. 0

22 Rigenerazione calcolo del rendimento Impianto rigenerativo La rappresentazione del ciclo non può essere effettuata sul piano T-s percé la quantità di fluido ce evolve nel ciclo è differente Il rendimento del ciclo di Hirn con (+Me) kg di fluido evolvente} ( + M e )( 4 ) ( 4 ) ηlhirn + M IL rendimento del ciclo rigenerativo è η poicé: l R M e ( )( ) e ( 4 ) + M e( 5 ) ( + M )( ) ( 2r e 2r 2r ( ) 5 ) ( + M e)( 2 r ) M e M e 5 GV +M e M e 5 T 4

23 2 Rigenerazione calcolo del rendimento Sostituendo si ottiene la seguente espressione: poicé nella precedente espressione, al rendimento limite del ciclo di Hirn senza rigenerazione viene aggiunta a numeratore e a denominatore una medesima quantità se ne deriva: Ovvero il rendimento del ciclo rigenerativo è superiore del rendimento del ciclo senza rigenerazione La precedente espressione fornisce inoltre uno strumento atto alla valutazione della portata di spillamento ottimale ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) M M M M M e e e e e R l η ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Hirn e e R l M M η η >

24 Per cercare di aumentare l effetto benefico della rigenerazione termica si possono prevedere un numero maggiore di gradini di rigenerazione. L effetto di tali ulteriori gradini di continua ad essere positivo come si può osservare dal seguente grafico. Rigenerazione Termica Spillamenti multipli Tuttavia l incremento percentuale di rendimento ce corrisponde all aggiunta di ulteriori gradini di rigenerazione viene via via a diminuire e si deve pertanto tenere conto del bilancio economico tra il risparmio conseguente alla rigenerazione più spinta con il maggiore costo dell impianto. Il numero di spillamenti presenti lungo la linea di espansione è pertanto funzione della potenza dell impianto stesso e quindi della sua importanza

25 Rigenerazione Termica Degasatore Usualmente nella linea rigenerativa di un impianto a vapore è presente almeno un rigeneratore a miscela con funzione di degasatore (separatore dei gas incondensabili ce creano problemi sia all interno delle pompe e della caldaia sia al condensatore innalzandone il valore della pressione di condensazione - pressione parziale -) Ad una pressione compresa tra e 6 bar l ossigeno e gli altri incondensabili anno una solubilità minima nell acqua vapore gas acqua acqua preriscaldata 4

26 Rigenerazione Limiti di potenza La presenza di una linea rigenerativa consente di ottenere, a pari potenza dell impianto, un condensatore di minori dimensioni: P turbina n spill. m& i iη t i in assenza di spillamenti il valore del salto entalpico fittizio coincide con quello della turbina mentre in presenza di spillamenti ogni singolo stadio della linea di espansione fornisce un contributo superiore poicé attraversato da una quantità di vapore superiore e quindi il salto di entalpia fittizio risulta maggiore rispetto a quello reale. m& cond * 5

27 Scema di Impianto a vapore 6

28 Impianto a vapore 7

29 Impianti a vapore 8