Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 33 MOTORE DINAMICO A GAS Sistemi a combustione esterna o interna

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1 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 33 MOTORE DINAMICO A GAS Sistemi a combustione esterna o interna Ciclo termodinamico ideale Joule (Brayton) Ciclo termodinamico ideale Holzwarth Schema d impianto in circuito chiuso Schema d impianto in circuito chiuso Schema d impianto in circuito aperto Schema d impianto in circuito aperto

2 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 34 Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano entalpico rappresentazione grafica del calore (Q) e del lavoro all albero (L) scambiato Rendimento ideale del ciclo Joule (Brayton) in funzione del rapporto di compressione Rendimento limite del ciclo Joule (Brayton) per diversi valori di k Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite, per rapporti di compressione crescenti, a T 1 e T 3 costanti Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite ( ) e reale in assenza di cadute di pressione (1 2' 3 4')

3 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 35 Proprietà dell aria

4 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 36

5 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 37 Prestazioni energetiche Rendimento ideale in funzione del rapporto di compressione Lavoro massico utile in funzione del rapporto di compressione, per tre valori della temperatura massima T 3 [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

6 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 38 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)]

7 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 39 Rigenerazione termica Schema d impianto in circuito chiuso Schema d impianto in circuito aperto

8 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 40 Ciclo ideale e rigenerazione ideale Ciclo ideale e rigenerazione reale

9 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 41 Rendimento in funzione del rapporto di compressione, per due valori di T 3 con rigenerazione ideale [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Andamento di (T 4 -T 2 ) all aumentare del rapporto di compressione, per valori costanti di T 1 e T 3

10 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 42 Rigenerazione nel caso di ciclo reale (con cadute di pressione trascurabili) Rendimento reale in presenza di rigenerazione (tre valori dell efficienza di rigenerazione R) e senza rigenerazione (R = 0), per due valori della temperatura massima T 3 [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

11 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 43 Ciclo reale e rigenerazione reale Frazione del lavoro della turbina che viene richiesto dal compressore

12 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 44 Compressione con interrefrigerazione Compressione in due stadi con refrigerazione intermedia Espansione con interriscaldamento Espansione in due stadi con ricombustione intermedia

13 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 45 Turbogas

14 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 46

15 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 47 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)

16 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 48 Processo 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

17 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 49 DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ Sistema motore con turbina a gas Distribuzione delle irreversibilità in un turbomotore a gas a combustione esterna

18 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 50 Sistema motore con turbina a vapore Distribuzione delle irreversibilità in un gruppo motore a vapore

19 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 51 SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE Diagramma entropico qualitativo per un sistema a ciclo combinato gas/vapore Diagramma di Sankey per un sistema combinato gas/vapore tipico

20 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 52 Caldaia a recupero di calore (HRSG) Sistema combinato gas/vapore: ciclo sovrapposto a gas e ciclo sottoposto a vapore; diagramma delle temperature dei gas di scarico e del sistema acqua-vapore in un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) Generatore di vapore a recupero di calore HRSG (Heat Recovery Steam Generator)

21 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 53 Schema di caldaia a recupero di calore Caldaia a recupero con bruciatori ausiliari 1 ingresso gas combusti provenienti dalla turbina; 2 camera di collegamento; 3 bruciatori metano; 4 alloggiamento per eventuali bruciatori gasolio; 5 schermo di tubi; 6 tubi ad U del surriscaldatore; 7 collettore acqua; 8 fascio di tubi evaporatori; 9 tubi ad U dell economizzatore; 10 camino principale; 11 collettore cilindrico acqua-vapore; 12 uscita dall economizzatore; 13 uscita dal surriscaldatore; 14 muri d acqua; 15 camino di by-pass; 16 serrande principali di deviazione gas combusti

22 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 54 Schemi d impianto Rappresentazioni schematiche di impianti combinati gas/vapore a) senza ricombustione (unfired); b) con ricombustione (fired) mediante una seconda camera di combustione (B 2 ); c) con ricombustione (fired) mediante HRSG con bruciatori ausiliari

23 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 55 Prestazioni energetiche

24 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 56 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

25 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 57 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

26 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 58 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

27 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 59 Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering) Feedwater Repowering: ripotenziamento con preriscaldamento dell acqua di alimento 1 generatore di vapore; 2 corpo di alta pressione della turbina a vapore; 3 corpo di media pressione a doppio flusso; 4 corpo di bassa pressione a doppio flusso; 5 alternatore; 6 condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratori di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 rigeneratori di alta pressione; 12 alternatore; 13 gruppo turbogas; 14 caldaia a recupero GRUPPO A VAPORE Potenza netta (MW) Rendimento netto 0,380 0,385 0,398 0,403 GRUPPO A GAS Potenza netta (MW) 26 37, Rendimento netto 0,285 0,314 0,327 0,327 GRUPPO COMBINATO Potenza netta (MW) Incremento della potenza (%) 16,6 16,4 18,8 18,2 Rendimento netto 0,386 0,393 0,406 0,411 Incremento del rendimento (%) 1,58 2,01 2,01 1,98 Esempi di Feedwater Repowering (Turbogas Nuovo Pignone)

28 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 60 Heat Recovery Repowering: ripotenziamento con recupero dei gas di scarico del turbogas con HRSG 1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore; 3 alternatore; 4 condensatore; 5 pompa di estrazione; 6 rigeneratore di bassa pressione; 7 degasatore; 8 pompa di alimento; 9 rigeneratore di alta pressione; 10 alternatore; 11 gruppo turbogas; 12 caldaia a recupero (HRSG) Boiler Repowering: ripotenziamento con postcombustione nel generatore di vapore (boiler) 1 ingresso combustibile; 2 generatore di vapore; 3 alla turbina a vapore; 4 economizzatore; 5 camino; 6 ventilatore; 7 preriscaldatore d aria; 8 gruppo turbogas; 9 camino di by-pass

29 Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 61 INDICE Frontespizio...1 IMPIANTO MOTORE A VAPORE...2 Diagramma di Sankey (bilancio di energia)...5 Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia)...6 Condensazione del vapore e determinazione della pressione bassa (P L )...7 Determinazione delle condizioni ottimali in caldaia...9 Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore...10 Spillamenti di vapore...11 Processo di combustione...16 Irreversibilità di combustione...17 Generatori di vapore...19 Motrici dinamiche (turbine)...28 MOTORE DINAMICO A GAS...33 Sistemi a combustione esterna o interna...33 Proprietà dell aria...35 Prestazioni energetiche...37 Rigenerazione termica...39 Compressione con interrefrigerazione...44 Espansione con interriscaldamento...44 Turbogas...45 Processo di compressione...48 DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ...49 Sistema motore con turbina a gas...49 Sistema motore con turbina a vapore...50 SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE...51 Caldaia a recupero di calore (HRSG)...52 Schemi d impianto...54 Prestazioni energetiche...55 Soluzioni impiantistiche...56 Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)...59 Indice...61