Ciclo Rankine. Macchina tipica di un ciclo a vapore

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Gianpiero Pandolfi
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1 di Piraccini Davide

2 OBBIETTIVI : Inserire un impianto ORC (Organic Rankine Cycle) nel ciclo di bassa pressione della centrale Enel di Porto Corsini e studiare la convenienza tramite il confronto dei rendimenti e del lavoro ottenibile. Il fluido organico sfruttato è il genetron R-245fa

studiare la convenienza tramite il confronto dei rendimenti e del

3 Il ciclo Rankine è il ciclo ideale per i cicli diretti a vapore ( ): 1-2 compressione adiabatica isoentropica 2-3 fornitura di calore a pressione costante 3-4 espansione adiabatica isoentropica 4-1 sottrazione di calore a pressione costante Ciclo Rankine Macchina tipica di un ciclo a vapore

pressione costante 3-4 espansione adiabatica isoentropica 4-1 sottrazione

Ciclo Hirn Il ciclo Hirn è il ciclo Rankine con surriscaldamento (1-2 - 3-4 - 1): 1-2 compressione adiabatica isoentropica 2-3 fornitura di calore a pressione costante fino ad avere del vapore

4 Ciclo Hirn Il ciclo Hirn è il ciclo Rankine con surriscaldamento ( ): 1-2 compressione adiabatica isoentropica 2-3 fornitura di calore a pressione costante fino ad avere del vapore surriscaldato 3-4 espansione adiabatica isoentropica 4-1 sottrazione di calore a pressione costante Vantaggi rispetto al ciclo Rankine: maggior lavoro ottenibile grazie all ingrandimento dell area interna al grafico vapore a fine espansione con un titolo maggiore in modo da non danneggiare la turbina

4-1 sottrazione di calore a pressione costante Vantaggi rispetto al ciclo Rankine: maggior lavoro ottenibile grazie all

5 Fluidi Organici Un fluido organico è un composto che possiede in molecola uno o più atomi di carbonio. La proprietà più interessante di un fluido organico è quella di essere basso bollente, cioè la trasformazione di fase, ad una data pressione, avviene per temperature minori rispetto a quelle necessarie per l acqua. L applicazione più frequente è quella delle macchine frigorifere, dove il riferimento termodinamico è il ciclo inverso. Qualche decennio fa si è però pensato di usare questi fluidi anche nei cicli diretti, per convertire efficacemente fonti di calore a bassa temperatura in lavoro meccanico. In questo elaborato studieremo il genetron R-245fa applicato in un ciclo Rankine.

rispetto a quelle necessarie per l acqua. L applicazione più frequente è quella delle macchine frigorifere, dove il riferimento termodinamico è il ciclo inverso.

6 Vantaggi di un impianto ORC Rendimenti del ciclo alti. Rendimenti della turbina alti ( fino a 85 %). Recupero di energia utile da sorgenti a basso livello energetico Piccolo stress meccanico della turbina, grazie alle basse velocità tangenziali. Bassa velocità di rotazione, che permette l accoppiamento diretto con i generatori elettrici. Nessuna erosione delle pale, grazie all assenza di umidità nel vapore Lunga vita dell impianto. Facilità nell avviamento e nello spegnimento dell impianto. Manutenzione richiesta poco onerosa. Non necessità della presenza di un operatore patentato per la monitorazione del generatore di vapore, come invece avviene per gli impianti a vapor d acqua.

Bassa velocità di rotazione, che permette l accoppiamento diretto con i generatori elettrici.

7 Genetron HFC 245fa HFC 1,1,1,3,3-pentafluoropropane - formula molecolare :CF3CH2CHF2 Temperatura critica di 154 C, alta rispetto agli altri fluidi organici Catena molecolare molto lunga e grande peso molecolare capacità termica ed entropia molecolare alta recupero di energia utile da bassi livelli energetici aumento dell efficienza del ciclo per piccole quantità di calore

molto lunga e grande peso molecolare capacità termica ed entropia molecolare alta recupero di

8 Il genetron R-245fa è un fluido asciutto L R-245fa è un fluido asciutto cioè il punto 4 si troverà molto alla destra della curva di Andrews quindi il vapore corrispondente sarà decisamente secco in uno stato di surriscaldamento anche se immette in turbina del vapore saturo secco o con titolo prossimo a 1. Con un fluido asciutto non ci dobbiamo più preoccupare dell umidità presente in turbina che potrebbe danneggiare le pale

surriscaldamento anche se immette in turbina del vapore saturo secco o con titolo prossimo a 1.

9 Andamento del rendimento del ciclo al variare di TIT(temperatura ingresso turbina) e della pressione (T1=293) Il rendimento del ciclo diminuisce all aumentare della TIT per una data pressione di evaporazione

(T1=293) Il rendimento del ciclo diminuisce all

10 Centrale Termoelettrica Enel di Porto Corsini Centrale a ciclo combinato: Centrale a gas + centrale termoelettrica a vapore Centrale a gas Centrale termoelettrica a vapore

Componenti principali di un ciclo combinato: TURBOGAS un compressore multistadio una camera di combustione anulare una turbina Gas naturale Preleva

12 Componenti principali di un ciclo combinato: TURBOGAS un compressore multistadio una camera di combustione anulare una turbina Gas naturale Preleva aria dall atmosfera compressione Camera di combustione Espansione in turbina dei gas Prodotti della combustione scaricati in atmosfera tramite il GVR

Preleva aria dall atmosfera compressione Camera di combustione Espansione

GVR generatore di vapore a recupero di calore L interno del GVR è suddiviso in vari scambiatori: economizzatori: preriscaldano l acqua evaporatori: vaporizzano l acqua surriscaldatori: surriscaldano

13 GVR generatore di vapore a recupero di calore L interno del GVR è suddiviso in vari scambiatori: economizzatori: preriscaldano l acqua evaporatori: vaporizzano l acqua surriscaldatori: surriscaldano il vapore Vi sono 3 differenti cicli divisi a seconda della pressione e temperatura di esercizio: ciclo di alta pressione: T = 530 C P = 110 bar ciclo di media pressione: T = 310 C P = 32 bar ciclo di bassa pressione: T = 250 C P = 3,5 bar

vapore Vi sono 3 differenti cicli divisi a seconda della pressione e temperatura di esercizio: ciclo di alta

14 TURBINA A VAPORE Le turbine a vapore trasformano l energia contenuta nel vapore in energia meccanica. N 1 Turbina di alta pressione ad azione N 2 Turbina di media pressione ad azione N 1 Turbina di bassa pressione ad azione e reazione Le turbine sono tutte montate sullo stesso asse di rotazione che è collegato coassialmente all alternatore. Tutte le turbine sono composte da piu stadi in modo da migliorare l efficienza complessiva della turbina

ad azione e reazione Le turbine sono tutte montate sullo stesso asse di rotazione che è collegato coassialmente

15 CONDENSATORE E uno scambiatore di calore che ha la funzione di abbassare la temperatura di fine espansione in modo tale da riportare il fluido al giusto stato (liquido) e all opportuna temperatura. Il condensatore è posto sotto alla turbina di bassa pressione nel quale una volta che il vapore cede energia alla turbina diminuendo di titolo precipita verso il basso attirato dal vuoto presente all interno del condensatore.

Il condensatore è posto sotto alla turbina di bassa pressione nel quale una volta che il vapore cede

16 Rendimento effettivo del ciclo a vapore di bassa pressione della centrale ENEL Tramite i dati rilevati direttamente sull impianto trovo il rendimento termodinamico trascurando il lavoro di pompaggio:

17 Inserimento dell impianto ORC Inserisco un impianto ORC nel quale vi scorre il fluido genetron R_245fa tramite uno scambiatore di calore all uscita del ciclo di bassa pressione in quanto solo in questo punto vi sono le caratteristiche giuste per le proprietà termodinamiche del fluido organico. Il vapore viene prelevato dalla turbina prima che finisca la sua completa espansione, ad una temperatura di 130 C in modo tale da rimanere una buona parte di calore da cedere al genetron tramite lo scambiatore

giuste per le proprietà termodinamiche del fluido organico.

18 Temperatura di ingresso turbina (TIT) corrispondente al vapore saturo a 126 C in modo da avere durante l espansione un vapore surriscaldato. Tramite la tabella termodinamica e i due diagrammi T-S e P-H calcolo il rendimento conoscendo i seguenti dati: T3 = 126 C dalla tabella termodinamica: p2 = p3 = 21,63 bar H3 = 495 kj/kg Dal diagramma T-S S3 = S4 = 1,82 Da tabella per una temperatura di condensazione di T1=20 C : H1 = H2 = 226,43 p1 = p4 = 1,24 bar

Tramite la tabella termodinamica e i due diagrammi T-S e P-H calcolo il rendimento conoscendo i seguenti dati: T3

19 Da tabella per una temperatura di condensazione di T1=20 C : H1 = H2 = 226,43 p1 = p4 = 1,24 bar Tramite diagramma P-H per S4 e T4 trovo : H4 = 435 Il rendimento termodinamico del ciclo ORC trascurando il lavoro di pompaggio e considerando una trasformazione isoentropica di espansione:

= 435 Il rendimento termodinamico del ciclo ORC trascurando il lavoro

20 Rendimento del ciclo vapore fino ad una temperatura di espansione di 130 C

21 Rendimento di un ciclo a vapore con gli stessi parametri dell ORC Verifico il rendimento che si otterrebbe da un ciclo a vapore classico con gli stessi parametri del ciclo ORC in modo da avere un confrotto diretto dei rendimenti ottenibili dai due diversi fluidi Con una temperatura di evaporazione di 115 C : H3 = 2790 H2 = 83,86 H4= 2255 Calcolo del grado di surriscaldamento : H3vs: entalpia in condizione di vapore saturo

22 Confronto dei rendimenti ottenuti Confronto il rendimento termodinamico del ciclo con il fluido R-245fa e il rendimento termodinamico del ciclo con l acqua partendo dagli stessi parametri di inizio e fine espansione: Si nota che il ciclo con il fluido organico da un rendimento termodinamico maggiore di quello con l acqua. Confronto il rendimento termodinamico del ciclo di bassa pressione della centrale termoelettrica con il rendimento che si avrebbe inserendo l impianto ORC: l impianto ORC migliora il rendimento termodinamico del 4,1 %

23 Calcolo del lavoro ottenuto in turbina Verifico il lavoro che si ottiene dalla turbina a vapore e il lavoro che si ottiene dalla turbina ORC considerando un ciclo termodinamico uguale per i due fluidi. Innanzitutto trovo i kg di R-245fa che servono per uguagliare lo stesso assorbimento di calore di un kg di acqua in modo da avere un confronto equo. Per far ciò mi calcolo la differenza di entalpia tra l entalpia del liquido saturo Hls e l entalpia del vapore saturo Hvs per i due fluidi

24 Calcolo il lavoro che compie un kg di vapore sulla turbina: Lavoro che compiono 20,9 kg di R-245fa sulla turbina ORC:

25 CONCLUSIONI L inserimento dell impianto ORC provocherebbe un innalzamento del rendimento termodinamico che influirebbe profondamente sul rendimento totale della centrale che attualmente è del 56% circa con un abbassamento del consumo specifico. Questo farebbe si che la centrale diventerebbe più competitiva sull attuale mercato dell energia elettrica nazionale e quindi sarebbe sfruttata maggiormente,visto che in questo periodo è spesso spenta perché molte altre centrali hanno un consumo specifico minore. L abbassamento di esso si può notare anche attraverso il maggior lavoro ottenuto con la stessa quantità di energia consumata.

26 CONCLUSIONI (2) L unico problema che non si è affrontato in questo elaborato sono i costi di installazione e modifica dell impianto in quanto bisognerebbe installare una turbina a vapore più piccola, spostare l alternatore e installare tutto l impianto ORC. Questo comporterebbe una indisponibilità dell impianto per diversi mesi che tradotto in guadagni corrisponderebbe a grosse perdite. Quindi questa tecnologia è ottima per diminuire il consumo specifico aumentando il rendimento ma occorrerebbe applicarla su centrali di nuova costruzione e prevederla fin dal progetto iniziale.

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