Università degli Studi di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA

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1 Università degli Studi di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Sede di Forlì Insegnamento: Disegno Tecnico Industriale ANALISI DI FATTIBILITA DI UN GRUPPO DI COGENERAZIONE BASATO SU UN MOTORE DIESEL AERONAUTICO Tesi di Laurea di: FABIO BARUZZI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

2 IL VD007 MOTORE DIESEL 12 CILINDRI A V CILINDRATA 20,52 dm 3 RAPPORTO DI COMPRESSIONE 15,5 SISTEMA COMMON RAIL A 2 INIETTORI PER CILINDRO CAPACITA INIETTORI 160 mm 3 a colpo REGIME DI ROTAZIONE 3800 rpm η V =91% η MIN =35%

3 SCOPI PREFISSI DIMENSIONAMENTO ALTERNATORE ENERGIA ELETTRICA GASOLIO ARIA DI SOVRALIMENTAZIONE ACQUA DI RAFFREDDAMENTO OLIO DI LUBRIFICAZIONE ENERGIA TERMICA GAS DI SCARICO

4 BILANCIO ENERGETICO DEL VD007 PORTATA GASOLIO POTENZA IDEALE POTENZA EFFETTIVA d q 2 nc ρ qgasolio = = 0,11kg / s P = q H = 4577kW id gasolio i P = 0,35 P = 1602kW e id

5 LAYOUT D IMPIANTO C V3 LC V2 F S TC LF S4 S1 S2 S5 V1 motore S3

6 IMPIANTO DI SOVRALIMENTAZIONE p alim =3,2 bar p sca =3,3 bar Scelta del turbocompressore Garrett GT60 1 turbocompressore per bancata

7 AFTERCOOLER T AMB MAX =50 C T aria IN = 256 C T aria OUT = 55 C Q aria = 1,65 kg/s Q acqua utenza = 15 kg/s T acqua utenza IN = 40 C POTENZA TERMICA 337,5 kw Sovradimensionamento 252% SCAMBIATORE A PIASTRE SALDOBRASATE_ FIORINI MODELLO WP10L-180 T acqua utenza OUT = 45,4 C

8 SCAMBIATORE ACQUA-ACQUA T acqua IN = 80 C T acqua OUT = 89 C Q acqua = 40 kg/s Q acqua utenza = 15 kg/s T acqua utenza IN = 45,4 C POTENZA TERMICA 1443,5 kw Sovradimensionamento 104% SCAMBIATORE A PIASTRE ISPEZIONABILI_ FIORINI MODELLO K500V-42 T acqua utenza OUT = 68,2 C

9 SCAMBIATORE ACQUA-OLIO T olio IN = 110 C T olio OUT = 130 C Q olio = 5,46 kg/s Q acqua utenza = 15 kg/s T acqua utenza IN = 68,2 C POTENZA TERMICA 241,7 kw Sovradimensionamento 71,5% SCAMBIATORE A PIASTRE ISPEZIONABILI_ FIORINI MODELLO K260V-34 T acqua utenza OUT = 72,1 C

10 SCAMBIATORE ACQUA-GAS DI SCARICO T gas IN = 645 C Q gas = 1,76 kg/s Q acqua utenza = 15 kg/s T acqua utenza IN = 72,1 C 2 SCAMBIATORI PER GAS DI SCARICO BOWMAN POTENZA TERMICA TOTALE 512 kw MODELLO T acqua utenza OUT = 80 C T gas OUT = 170 C

11 RADIATORI Vengono utilizzati per dissipare potenza termica durante la produzione della sola energia elettrica da parte del gruppo di cogenerazione POTENZA TERMICA DA DISSIPARE Q m ΔTc p = 15 (72,1 40) 4,2 = 2022kW = 2 RADIATORI GUNTNER MODELLO GVV090.1A/2x6

12 ALTERNATORE ALTERNATORE LSA50.1VL10 LEROY-SOMER INSTALLATO SUL GRUPPO ELETTROGENO XS1500U PRODOTTO DALLA SDMO POTENZA ELETTRICA 1570kW

13 CONCLUSIONI VANTAGGI DELLA COGENERAZIONE Economico : con la cogenerazione si sfrutta meglio l energia contenuta nel combustibile ovvero, a parità di energia utile prodotta, si consuma meno combustibile Ambientale : il minor consumo di combustibili implica una minor quantità di emissioni nocive nell ambiente e, per conseguenza, una diminuzione dei costi sociali dell inquinamento Salvaguardia delle risorse : la cogenerazione consente un utilizzo più efficiente delle risorse energetiche tradizionali (petrolio, carbone, gas naturale), riducendone gli sprechi Finanziario : la cogenerazione è considerata una fonte di energia assimilabile alle fonti alternative (sole, vento, geotermia) e gode quindi di tutti gli incentivi e facilitazioni previste dalla legge e dal Piano Energetico Nazionale

14 LIMITI DELLA COGENERAZIONE corrispondenza tra produzione e domanda sia sul lato elettrico che su quello termico: non serve a molto ottenere alti rendimenti complessivi se poi non si possono razionalmente utilizzare le energie prodotte dall operazione. la cogenerazione è proponibile e conveniente quando le domande di energia elettrica e termica sono contemporanee: le utenze assorbono l energia elettrica ed il calore con leggi sostanzialmente indipendenti e inoltre l elettricità non è praticamente accumulabile ed il calore lo è solo per brevi periodi. Sotto il profilo logistico, affinché si realizzi una convenienza economica per l impianto, le utenze termiche ed elettriche devono trovarsi nelle vicinanze del sistema di generazione energetica, in particolare per quanto riguarda la rete di distribuzione del calore. La diffusione dei sistemi cogenerativi è stata finora ostacolata soprattutto dagli alti costi iniziali di impianto imputabili alla maggiore complessità di tali sistemi, se confrontati coi costi dei sistemi tradizionali. Da questo punto di vista la complessità dell impianto è tanto più insostenibile quanto minore è la potenzialità dell impianto stesso.

15 IMPIEGO DI MOTORI A COMBUSIONE INTERNA VANTAGGI gli elevati rendimenti anche nei regimi di funzionamento parziale; l ampia gamma di combustibili utilizzabili: sia liquidi (nafte pesanti) che gassosi (metano, GPL), compresi gas poveri, gas d altoforno, da biomasse, di distillazione del carbone; la spinta modularità di realizzazione che agevola la manutenzione, riducendo i rischi di interruzioni complete del servizio, garantendo nel contempo flessibilità di installazione e di esercizio; il campo di applicazione molto vasto, potenze elettriche dai 15 kw ai 10 MW; SVANTAGGI la scarsa capacità di soddisfare utenze termiche richiedenti calore ad alta temperatura (oltre i 140 C); le significative emissioni di NOx, da limitare con appositi dispositivi secondo la normativa in vigore; l aumento dell incidenza dei costi di manutenzione (particolarmente per l olio di lubrificazione) la cui quota percentuale può andare dal 2 al 4% dei costi di investimento

16 IRE _ INDICE DI RISPARMIO ENERGETICO Calcolo dei rendimenti elettrici e termici dell impianto: η el η th = P P el i Q = th Pi 1570 = = 4577 = 2520 = ,343 0,55 Si confrontano ora questi rendimenti con quelli di riferimento seguendo 2 modalità: (1) pensando il gruppo di cogenerazione come sostituzione di impianti preesistenti (2) pensando il gruppo come investimento alternativo alla realizzazione di due diverse unità di produzione termica e elettrica separata

17 (1) Si prendono come valori di riferimento: 37% per η el * 80% per η th * IRE = 1 ηel * ηel 1 η + η th * th = 1 1 0,343 0,37 + 0,55 0,8 = 0,38

18 (2) Si prendono come valori di riferimento: 51% per η el * 90% per η th * IRE = 1 ηel * ηel 1 η + η th * th = 1 1 0,343 0,51 + 0,55 0,9 = 0,22 Si osserva come entrambe le soluzioni siano di considerevole importanza, l indice di risparmio energetico risulta infatti maggiore di zero per entrambe.

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