POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA

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1 POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA SISTEMI ENERGETICI LM per allievi Ingegneri Meccanici Appello del 15 Luglio 2014 per le sedi di Milano Bovisa e Piacenza Proff. Consonni S., Chiesa P., Martelli E. Tempo a disposizione: 2 ore Avvertenze per lo svolgimento del tema d esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Il punteggio si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 3) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 3) assegnato in considerazione della comprensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a corredo della soluzione. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "riprovato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (15 punti) Un forno industriale brucia gas naturale per scaldare billette di acciaio. La corrente di gas prodotti dalla combustione di gas naturale e aria si raffredda da 1500 C a 400 C cedendo una potenza termica pari a 10 MW al materiale trattato nel forno. All uscita del forno la corrente di gas combusti attraversa un preriscaldatore d aria che riscalda l'aria utilizzata per la combustione dalla temperatura ambiente fino a 285 C. Noto che: la temperatura dell'aria ambiente all'ingresso del preriscaldatore è pari a 15 C; le perdite per incombusti e irraggiamento nel combustore sono pari allo 0.6% della potenza termica del combustibile; il gas naturale è caratterizzato da: composizione CH4: 84%, C3H8: 2.3%, C4H10: 3.2%, CO2: 6.5%, N2: 4.0%. massa molare gas naturale: kg/kmol potere calorifico gas naturale: MJ/kg Si richiede di: 1) tracciare lo schema d impianto 2) calcolare la portata di aria e di gas naturale necessari per l'alimentazione del forno 3) calcolare la temperatura dei gas combusti all'uscita del preriscaldatore 4) calcolare il rendimento termico del forno 5) calcolare l efficacia del preriscaldatore d aria 6) calcolare l'eccesso d'aria che caratterizza la combustione in oggetto Dati per la risoluzione del quesito: cp dei fumi costante pari a 1.12 kj/kg-k cp dell'aria costante pari a 1.04 kj/kg-k Concentrazione O2 nell'aria ambiente: Massa molare dell'aria: kg/kmol Prova scritta del 15 luglio 2014 pag. 1 di 2

2 POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI ENERGIA Quesito 2 (15 punti) Si consideri un ciclo vapore costituito da una caldaia, una valvola di ammissione in turbina, una turbina, un condensatore, una pompa estrazione condensato, un degasatore ed una pompa alimento. Sono noti i seguenti parametri: La caldaia genera 100 tonn/h di vapore a 550 C, 100 bar La valvola di ammissione in turbina causa una perdita di carico di 20 bar Il degasatore è alla pressione di 5 bar La caldaia ha perdite di carico pari a 15 bar La pressione di condensazione è pari a 0.09 bar La sezione di turbina di alta pressione ha rendimento isoentropico pari a 0.88 La sezione di turbina di bassa pressione ha rendimento isoentropico pari a 0.90 Il rendimento idraulico delle pompe alimento ed estrazione condensato è pari a 0.80 La turbina a vapore ha rendimento meccanico-elettrico pari a 0.98 Le pompe hanno rendimento meccanico-elettrico pari a 0.94 Si rchiede di: 1) Tracciare lo schema d impianto ed i diagrammi T-s ed h-s del ciclo; 2) Determinare il rendimento elettrico e la potenza elettrica netta del ciclo; 3) Assumendo una temperatura ambiente (stato morto) pari a 15 C, determinare la potenza reversibile persa (secondo l analisi entropica) nella valvola di ammissione in turbina, nel degasatore e nel condensatore. Prova scritta del 15 luglio 2014 pag. 2 di 2

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