SISTEMI ENERGETICI LM per allievi Ingegneri Meccanici Appello del 9 luglio Proff. Consonni S., Chiesa P., Martelli E.

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1 SISTEMI ENERGETICI LM per allievi Ingegneri Meccanici Appello del 9 luglio 2013 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 4) assegnato in considerazione della comprensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a corredo. Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Problema 1 (12 punti) Una vecchia locomotiva a vapore ha una potenza netta alle ruote pari a 5 MW alla velocità di crociera di 125 km/h. Essa è alimentata da carbone bituminoso avente PCI = MJ/kg e la composizione riportata sotto. Elemento Frazione massica, % Massa molare, kg/kmol C H O S N Umidità Ceneri Sapendo che la portata di aria in alimentazione alla caldaia è controllata per mantenere un eccesso d aria pari al 40% i fumi sono scaricati dalla caldaia (che fornisce calore al vapore) alla temperatura di 200 C, c P,fumi = 1.1 kj/kg-k, l aria ambiente è a 18 C ed è approssimabile come una miscela costituita dal 79% di N 2 e dal 21% di O 2, massa molecolare = kg/kmol, c P,aria = 1.0 kj/kg-k, perdite termiche e per incompleta combustione sono pari al 0.8% della potenza termica base PCI del combustibile, si chiede di determinare il rendimento termico della caldaia. Assumendo inoltre che il sistema ciclo vapore + trasmissione abbia un rendimento (definito come potenza netta alle ruote / potenza termica in ingresso) pari al 23%, stimare inoltre - la quantità massica totale di carbone consumata dalla locomotiva - la quantità massica totale di SO 2 emessa durante un percorso di 1000 km con velocità di crociera pari a 125 km/h.

2 Quesito 2 (17 punti) Si consideri il ciclo a gas rigenerativo a combustione esterna rappresentato in figura per il quale, alle condizioni di progetto, condizioni termodinamiche e portata nei punti più significativi del ciclo sono riportati nella seguente tabella. Flusso Pressione, bar Temperatura, C Portata, kg/s La potenza termica Q in viene fornita da una sorgente di calore esterna al ciclo. Il fluido di lavoro è a- ria con massa molecolare = 28.9 kg/kmole e rapporto γ = c p /c v che assume i seguenti valori: 1,39 nella sezione a bassa temperatura, ovvero tra i punti 1 e 3. 1,35 nella sezione ad alta temperatura, ovvero tra i punti 3 e 5 1,37 nella sezione a media temperatura, ovvero tra i punti 5 e 6. Considerati i seguenti parametri progettuali: rendimento del generatore elettrico = 98%, rendimento del sistema meccanico di trasmissione (riduttore, albero, lubrificazione, etc) = 97%. È richiesto di calcolare: potenza elettrica netta generata rendimento elettrico netto rendimento isoentropico della turbina. Si chiede infine di valutare la prestazione della macchina dotata di un rigeneratore perfezionato a- vente la stessa superficie del precedente ma coefficiente globale di scambio migliorato del 30%. Le perdite di carico si mantengono inalterate sul lato freddo dello scambiatore e raddoppiano sul lato caldo. Rispetto al caso precedente, si assume che rimangano inalterati: le condizioni di aspirazione del compressore, le perdite di carico del combustore, la temperatura di ingresso in turbina, curve caratteristiche e rendimenti delle turbomacchine, del generatore elettrico e degli organi meccanici L efficacia del rigeneratore in contro-corrente è infine esprimibile con l espressione: ε = NTU / (1+NTU) con NTU = Number of Thermal Units Si richiede di calcolare quanto segue: pressioni e temperature nei punti del ciclo portata di aria aspirata potenza termica Q in da fornire al ciclo potenza elettrica netta generata rendimento elettrico netto

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