ANALISI TERMODINAMICA

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1 ANALISI TERMODINAMICA Integrazioni sono state effettuate riferendosi ai testi: # G. Lozza, Turbine a Gas e Cicli combinati # R. Della Volpe, Macchine

2 Motori a combustione interna La reazione di combustione avviene in seno al fluido che esegue lavoro Richiede l utilizzo di combustibili raffinati L aria comburente viene aspirata dall ambiente (ciclo aperto) I gas caldi dopo aver compiuto lavoro vengono sfruttati termicamente o rilasciati in ambiente 2

3 Ciclo reale di un turbogas sul piano P-V perdite di pressione in camera di combustione 3

4 Ciclo Joule ideale chiuso 4

5 Ciclo Joule ideale chiuso 5

6 Ciclo Joule ideale chiuso - rendimento 6

7 Ciclo Joule ideale chiuso - rendimento 7

8 Ciclo Joule ideale chiuso - rendimento 8

9 Ciclo Joule ideale Lavoro Specifico 9

10 Ciclo Joule ideale Lavoro Specifico 10

11 Ciclo Joule ideale Casi particolari 11

12 Ciclo Joule ideale aperto 12

13 Ciclo Joule ideale aperto 13

14 Ciclo Chiuso vs Ciclo Aperto Gas Perfetto Fluido assimilabile al gas ideale (rispetta p*v=r_g*t) Non subisce variazioni di stato e di composizione c_p costante indipendente dalla temperatura Fluido Reale Fluido reale sede di combustione subisce variazioni di composizione c_p cresce in funzione della temperatura 14

15 Ciclo Joule reale 15

16 Ciclo Joule reale Perdite del ciclo reale 1. Compressione ed espansione non isentropiche 2. Tratti «isobari» con perdite di pressione 3. Perdite termiche verso l esterno 4. Combustione incompleta 5. Perdita di massa 6. Irreversibilità di miscelamento 7. Perdite meccaniche 8. Perdite del generatore 16

17 SC -Effetto rendimento compressore e turbina 17

18 Turbine a gas a Ciclo Semplice EXHAUST GAS 18

19 Turbine a gas a Ciclo Semplice 19

20 Turbine a gas a Ciclo Semplice 20

21 Turbine a gas a Ciclo Semplice 21

22 Turbine a gas a Ciclo Semplice 22

23 Diagramma di Sankey Il diagramma di Sankey mette in evidenzia i flussi di energia scambiati all interno del ciclo Più della metà dell energia meccanica generata nell espansore viene assorbita dal compressore L energia termica nei gas di scarico è quasi il 60% di quella del combustibile Grazie all elevata temperatura cui questa è disponibile può essere utilizzata per recuperare calore destinato ad Usi termici (cogenerazione) Generazione elettrica (cicli combinati) 23

24 SC -Turbine a gas Heavy Duty Livello tecnologico meno spinto Privilegiano la robustezza e la semplicità di manutenzione Configurazione Single shaft con velocità di rotazione pari alla frequenza di rete I rapporti di compressione non elevati (15-19) privilegiano il lavoro specifico e quindi l energia prodotta a parità di portata d aria/ sezione di aspirazione/ costi di installazione (eur/mw) 24

25 SC -Turbine a gas Areoderivative Più evolute tecnologicamente (TIT maggiori (1400 C), materiali più performanti) Configurazione multi-shaft in cui la velocità di rotazione pari alla frequenza di rete è imposta solamente alla turbina di potenza, le altri componenti possono variare velocità di rotazione I rapporti di compressione elevati (>25) privilegiano il rendimento / autonomia di volo Più leggere e compatte, hanno velocità di avviamento e variazione di carico maggiori Minor cura dei valori di emissione 25

26 Confronto Heavy Duty vs Aeroderivative Heavy Duty Aeroderivative T3 (T.I.T ISO) [ C] β T4 (T.O.T) [ C] η L_s [kj/kg] P_el [MW] Negli ultimi anno le turbine Heavy Duty hanno raggiunto livelli tecnologici avanzati (turbine H con T.I.T. pari a 1500 C), che hanno il massimo del lavoro specifico per β maggiori 26

27 Confronto Heavy Duty vs Aeroderivative Heavy Duty GE 9F.05 (2000) Heavy Duty GE 9HA.01 (2010) Aeroderivative GE LM 6000 (1980) η β 18.3 (14 stages) 23.5 (14 stages) 33.5 (19 stages) T4 (T.O.T) [ C] 640 (3 stages) 629 (4 stages) 470 (7 stages) T3 (T.I.T) [ C] / eta_t= Exhaust Energy [MW] L_s [kj/kg] SC P_el [MW] GT turndown MEL [%] 35% 30% 25% GT Ramp Rate (MW/min) 24(7.6%/min) 65 (14.5%/min) 50 (90%/min) Startup time [hot,minutes] Nox at Base Load CO /150 27

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29 La rigenerazione nel ciclo ideale è possibile per β < τ 0.5 k/(k 1) 29

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32 η R= 1 recuperato λ β 1 1 τ (1 β = λ ) = 1 β τ λ = 1 T T

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36 Recuperatore Componente aggiuntivo del ciclo, il suo costo ed ingombro limitano le applicazioni a basse potenze Tecnologie avanzate (leghe al Ni, al Co e materiali Ceramici) permettono di sopportare temperature maggiori => incrementare le prestazioni del ciclo Le caratteristiche di conducibilità termica dei materiali e le geometrie adottate influenzano il comportamento in off-design 36

37 Recuperatore nelle micro GT le perdite di pressione nel componente hanno un peso in termini di rendimento non trascurabile. Si stima, infatti, che un aumento dell 1% delle perdite di carico possa portare a diminuzioni dello 0.3% del rendimento globale p / p Esistono differenti configurazioni: recuperatore a geometria piana posto in linea con lo scarico della turbina recuperatore «wrap-around» integrato 37

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39 RC-Prestazioni e confronto Il rendimento dei cicli rigenerativi dipende poco dal beta, al contrario del ciclo semplice Il lavoro specifico è inferiore a quello dei cicli semplici a parità di beta per effetto delle perdite di carico del rigeneratore Rendimento e temperature di cicli semplici e rigenerativi per microturbine a gas, calcolati secondo assunzioni coerenti con le tecnologie adottate per le MTG (η_p,c=0.85, η_p,t=0.825, εrigen=0.85, η_el/mecc=0.9, Δp/p=1%(asp.), 1% (rigen.aria), 3%(comb.), 3%(rigen.gas), 3%(scarico)). 39

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48 IC-Prestazioni e confronto 48

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50 Applicazioni di interrefrigerazione Il lavoro specifico del ciclo passa da kj/kg (150 kw/pps) del ciclo non interrefrigerato a kj/kg (210 kw/pps) del ciclo con intercooler Turbina LMS

51 Applicazioni di interrefrigerazione Lo scambiatore di calore intermedio, l Intercooler, oltre a introdurre una perdita di carico aggiuntiva, necessita di rilasciare in ambiente il calore Scambiatore IC ad Acqua e torre di raffreddamento a tiraggio forzato Wet Intercooler System Scambiatore IC ad Aria Dry Intercooler System with Air-to-Air Heat Exchanger 51

52 Confronto Ciclo Semplice vs IC SC GE LM 6000 IC GE LMS 100 η β 33.5 (19 stages) 42.5 (20 stages) T4 (T.O.T) [ C] 470 (7 stages) 422 (9 stages) T3 (T.I.T) [ C] / eta_t= Exhaust Energy [MW] L_s [kj/kg] SC P_el [MW] GT turndown MEL [%] 25% 15% GT Ramp Rate (MW/min) 50 (90%/min) 50 (43.5%/min) Startup time [hot,minutes] 5 8 Nox at Base Load CO 94/150 95/250 52

53 RH - Ciclo ReHeat 53

54 Reheat Ciclo ideale 54

55 ReHeat - Considerazioni 55

56 ReHeat Mappe di Prestazione 56

57 RH-Prestazioni e confronto 57

58 Applicazioni di Ciclo ReHeat Il lavoro specifico del ciclo arriva a 482 kj/kg e il rendimento al 41% pur mantenendo TIT contenute L elevato rapporto di compressione (β=34) porta ad avere temperature di scarico compressore elevate Elevata temperatura allo scarico (TOT =616 C) 58

59 Confronto Ciclo Semplice vs RH SC Heavy Duty GE 9F.05 RH AEN GT26 η [%] β 18.3 (14 stages) 34 (22 stages) T4 (T.O.T) [ C] 640 (3 stages) 615 (1+4 stages) T3 (T.I.T) [ C] / eta_t= /1290 Exhaust Energy [MW] L_s [kj/kg] SC P_el [MW] GT turndown MEL [%] 35% 10% GT Ramp Rate (MW/min) 24(7.6%/min) 33 (9.5%/min) Startup time [hot,minutes] 23 - Nox at Base Load 25 <30 CO 24 <10 59

60 Metodi per migliorare le prestazioni dei cicli a gas Q rec Ciclo Ericsson Approssimazione tecnica 60

61 Autovalutazione Per sostenere l esame è necessario: saper disegnare gli schemi di impianto e i piani termodinamici associati (SC,RC, IC,RH) saper calcolare gli scambi di energia in ingresso e in uscita ai cicli (calore e lavoro) aver chiaro il concetto di rendimento e di lavoro specifico saper calcolare i rendimenti dei cicli ideali (SC ed RC) e conoscere gli andamenti qualitativi di quelli reali in funzione dei parametri di processo saper spiegare l effetto delle modifiche del ciclo semplice (RC, IC, RH) ricordare i valori tipici di beta (SC HD, SC Aeroderivate, RC, IC,RH ) 61