Dipartimento di Ingegneria dell'energia e dei Sistemi

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1 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 1 di 28 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Dipartimento di Ingegneria dell'energia e dei Sistemi RISPARMIO ENERGETICO INDUSTRIALE (6 CFU) 3. Sistemi Gas/Vapore Roberto Lensi Anno Accademico

2 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 2 di 28

3 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 3 di 28 MOTORI DINAMICI A GAS Prestazioni energetiche Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre valori della temperatura massima [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre coppie di valori dei rendimenti di compressore e turbina [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

4 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 4 di 28 Turbogas

5 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 5 di 28 Rapporto tra lavoro all'albero del compressore e lavoro all'albero della turbina Ciclo Joule (Brayton) ad aria: caso limite ( ) e caso di turbomacchine reali, η s,t = 0,90 e η s,c = 0,88 (1-2r-3-4r-1)

6 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 6 di 28

7 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 7 di 28 Turbogas di derivazione aeronautica LM 6000 per applicazioni industriali (General Electric) Compressore di bassa pressione (5 stadi) seguito dal corpo di alta pressione (14 stadi), camera di combustione anulare, turbina a gas di alta pressione (2 stadi) che aziona il compressore di alta pressione, turbina a gas di bassa pressione (5 stadi) che aziona il compressore di bassa pressione e l'utilizzatore (non rappresentato in figura)

8 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 8 di 28 Processi di compressione Processo di compressione: a) regione di controllo; b) diagramma di Grassmann Trasformazioni di compressione: a) per T 1 >T 0 nel piano (T-s); b) per T 1 =T 0 nel piano (ε ph -h) Compressioni in due stadi con refrigerazione intermedia per T 1 =T 0 nel piano (ε ph -h) Compressori adiabatici: relazione tra rendimento exergetico e rendimento isoentropico

9 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 9 di 28 Compressione adiabatica multistadio sul piano entropico: irreversibilità (i) e reheat (r) Compressione adiabatica dell'aria; piano exergia fisica - entalpia

10 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 10 di 28 IMPIANTI CON TURBINE A VAPORE Diagramma di Sankey (bilancio di energia)

11 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 11 di 28 Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia)

12 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 12 di 28 Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore Schema d'impianto motore a vapore con un risurriscaldamento Legenda A 1 Regione: generatore di vapore C Caldaia (Generatore di vapore) S Surriscaldatore del vapore (SH) S' Risurriscaldatore del vapore (RH) A 2 Regione: sala macchine T AP Turbina a vapore di Alta Pressione T BP Turbina a vapore di Bassa Pressione Utilizzatore energia meccanica U (alternatore) A 3 Regione: condensatore e pompe K Condensatore del vapore Pe Pompa di estrazione del condensato Z Serbatoio acqua (fittiziamente aperto) Pa Pompa alimentazione acqua in caldaia Ciclo Hirn con un risurriscaldamento (RH) Ciclo Hirn con un risurriscaldamento Ciclo Hirn scomposto in cicli parziali

13 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 13 di 28 Spillamenti di vapore Schema d'impianto e ciclo Hirn sul piano di Mollier, per un unico gradino di rigenerazione Ciclo Hirn sul piano entropico, per un unico gradino di rigenerazione Schema d'impianto con due gradini di rigenerazione Ciclo Hirn sul piano di Mollier, per due gradini di rigenerazione Effetti sul rendimento di rigenerazione continua e da uno a quattro gradini di rigenerazione, in funzione del grado di rigenerazione

14 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 14 di 28 Schema d'impianto motore a vapore con risurriscaldamento del vapore e 6 spillamenti rigenerativi 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 uno a miscelazione (R 3 ) a pressione intermedia con funzione di degasatore e di serbatoio di accumulo Gruppi a vapore unificati Enel (sottocritici e sovracritici)

15 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 15 di 28 Irreversibilità di combustione Combustione adiabatica Irreversibilità di combustione adiabatica Riduzione delle irreversibilità mediante preriscaldamento dei reagenti Irreversibilità di combustione non adiabatica

16 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 16 di 28 Generatori di vapore Analisi energetica ed exergetica di un generatore di vapore: schema (a) e diagramma entropico (b) Generatore di vapore a combustibile solido: le varie sottoregioni (a) e il diagramma di Grassmann (b)

17 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 17 di 28 Motrici dinamiche (turbine) Processo di espansione (a) control region; (b) diagramma di Grassmann; (c) caso adiabatico, ideale e reale Espansione adiabatica 1-2' caso ideale; 1-2 caso reale Processi di espansione adiabatica rendimento exergetico e rendimento isoentropico

18 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 18 di 28 Espansione adiabatica multistadio sul piano entropico: irreversibilità (i) e reheat (r) Turbina ad aria. Sottoregioni A e B (a); irreversibilità sul piano entropico (b)

19 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 19 di 28 Turbina ad aria; piano temperatura - entropia Turbina ad aria; piano exergia fisica - entalpia

20 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 20 di 28 Impianto motore con turbina a gas alimentato con gas combustibile di risulta: sottoregioni Diagramma di Grassmann

21 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 21 di 28 Turbina a vapore da 700 MW (in primo piano si ha il corpo di alta pressione seguito da quello di media pressione a doppio flusso che precede i due corpi di bassa pressione tra loro in parallelo ed entrambi a doppio flusso)

22 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 22 di 28 DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ Sistemi motori con turbine a gas Distribuzione delle irreversibilità in un turbomotore a gas a combustione esterna

23 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 23 di 28 Sistemi motori con turbine a vapore Distribuzione delle irreversibilità in un gruppo motore a vapore

24 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 24 di 28 SISTEMI COMBINATI GAS/VAPORE Sistema combinato gas/vapore: ciclo sovrapposto a gas e ciclo sottoposto a vapore; diagramma delle temperature del gas e dell'acqua-vapore in un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) Schemi di impianti combinati gas/vapore: senza ricombustione, unfired, (caso a) o con ricombustione, fired, in camera di combustione (B 2 ) (caso b) o mediante HRSG con bruciatori ausiliari (caso c)

25 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 25 di 28 Soluzioni impiantistiche Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG ad un livello di pressione e con spillamenti rigenerativi 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratore; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16 surriscaldatore Caldaia a recupero a solo scambio convettivo ad un livello di pressione a) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature

26 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 26 di 28 Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG ad un livello di pressione e senza spillamenti rigenerativi: 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa economizzatore bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16 surriscaldatore; 17 economizzatore bassa pressione; 18 separatore di vapore Caldaia a recupero a solo scambio convettivo a due livelli di pressione a) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature

27 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 27 di 28 Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vapore con HRSG a due livelli di pressione e senza spillamenti rigenerativi: 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa di alimento circuito di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa evaporatore per il degasatore; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore alta pressione; 13 evaporatore alta pressione; 14 collettore cilindrico di alta pressione; 15 pompa di circolazione circuito di bassa pressione; 16 surriscaldatore alta pressione; 17 collettore cilindrico di bassa pressione; 18 economizzatore di bassa pressione; 19 evaporatore di bassa pressione; 20 pompa di alimento circuito di alta pressione; 21 evaporatore per il degasatore; 22 preriscaldatore acqua; 23 pompa di circolazione circuito alta pressione

28 Roberto Lensi 3. Sistemi Gas/Vapore Pag. 28 di 28 BIBLIOGRAFIA Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Krieger, Malabar, Florida, INDICE Frontespizio...1 Motori dinamici a gas...3 Prestazioni energetiche...3 Turbogas...4 Processi di compressione...8 impianti con turbine a vapore...10 Diagramma di Sankey (bilancio di energia)...10 Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia)...11 Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore...12 Spillamenti di vapore...13 Irreversibilità di combustione...15 Generatori di vapore...16 Motrici dinamiche (turbine)...17 Distribuzione delle irreversibilità...22 Sistemi motori con turbine a gas...22 Sistemi motori con turbine a vapore...23 Sistemi combinati gas/vapore...24 Soluzioni impiantistiche...25 Bibliografia...28 Indice...28