"CONVERSIONE DELL`ENERGIA" (Prof. Ennio Macchi) VERIFICA

"CONVERSIONE DELL’ENERGIA"
(Prof. Ennio Macchi)
VERIFICA del 11/06/2008
Parte prima: domande per cui è richiesto uno sviluppo numerico e/o la stesura di grafici e
schemi (si assumano valori ragionevoli per tutti i dati non indicati nel testo e necessari per le
risposte )
Esercizio N.1
Si supponga di attemperare la portata di vapore fra i due banchi del risurriscaldatore di un ciclo
combinato a 3 livelli di pressione della potenza elettrica netta pari a 390 MWe, portando il vapore
da 480° a 460°C. Si ipotizzi una portata di vapore a monte dell’attemperamento pari a 100 kg/s. Si
considerino le due seguenti possibilità per l’attemperamento:
a) utilizzare l’acqua all’uscita dell’economizzatore di alta pressione
b) utilizzare l’acqua prelevabile dal corpo cilindrico di media pressione.
Si assumano valori ragionevoli per le condizioni termodinamiche di acqua e vapore interessati al
processo. Per il calcolo delle proprietà termodinamiche, si assuma il calore specifico del vapore
surriscaldato e dell’acqua pari rispettivamente a 2.3 e 4.3 kJ/ (kgK) e il calore di evaporazione pari
a 1800 kJ/kg.
Si chiede:
• Di determinare, applicando le formule dell’analisi entropica, la perdita di rendimento
provocata dalle irreversibilità relative alle due opzioni impiantistiche
• Di commentare i risultati ottenuti, confrontando i due valori trovati.
Esercizio N.2
Si consideri una turbina a vapore, monoalbero, rotante a 3000 rpm, caratterizzata dai seguenti dati
operativi:
• Portata massica alta pressione = 100 kg/s
• Portata massica bassa pressione = 70 kg/s
• Condizioni del vapore all’ammissione della turbina: 40 bar, 550 °C
• Pressione di condensazione = 0.05 bar ( 33 °C)
Si richiede:
• Di determinare i triangoli di velocità del primo e dell’ultimo stadio (al diametro medio)
• Di determinare l’altezza di pala (uscita pala rotorica) e il diametro medio per i due stadi di cui
al punto precedente
• Di commentare i rendimenti attesi per i due stadi.
Esercizio N.3
Si considerino due cicli a vapor saturo rigenerativi, operanti con due fluidi caratterizzati dai
seguenti parametri:
A) fluido biatomico, avente temperatura critica = 350 °C, pressione critica = 200 bar, massa
molecolare = 20, densità del liquido = 1000 kg/m3, calore di vaporizzazione = 2000 kJ/kg
(si supponga trascurabile la variazione del calore di evaporazione nel campo di
temperature considerate)
B) fluido monoatomico, avente temperatura critica = 750 °C, pressione critica = 20 bar,
massa molecolare = 200, densità del liquido = 10000 kg/m3
Entrambi i cicli operano fra le seguenti temperature ridotte:
o
temperatura di evaporazione = 0.8
o
temperatura di condensazione = 0.5
e hanno una potenza elettrica netta di 100 MWe. Si chiede:
•
di calcolare la portata massica fluente nei due cicli (all’ingresso della turbina)
•
di calcolare il rapporto fra la potenza della turbina e della pompa nei due cicli
•
di confrontare le dimensioni dell’ultimo stadio di turbina per i due fluidi
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Esercizio N.4
Si consideri una turbina a gas, caratterizzata dai seguenti parametri operativi:
o T aria ambiente = 15°C
o P ambiente = 1.01325 bar
o Rapporto di compressione =40
o TIT = 1400°C
o Portata massica = 100 kg/s
Si ipotizzi di inserire una perdita di carico localizzata pari a 0.1 bar alternativamente nelle seguenti
quattro posizioni:
• A monte del compressore
• A valle del compressore
• All’ingresso della turbina
• A valle della turbina
Si chiede:
1. di tracciare l’andamento realistico nello stesso piano TS (per evidenziare le differenze) dei
quattro cicli risultanti
2. di confrontare le perdite di rendimento provocate dalla perdita di carico nei quattro casi.
Parte seconda: domande che non richiedono sviluppi numerici
1. Si elenchino le esternalità più importanti di una centrale a polverino di carbone
2. Si descriva il contributo delle energie rinnovabili alla produzione elettrica italiana
3. Quali sono le trasformazioni in cui si verificano le maggiori perdite di rendimento di un
ciclo a vapore in un’analisi di “primo principio” ed in una di “secondo principio”?
4. Indicare quali temperature massime si adottano nelle moderne centrali a vapore e
confrontarle con quelle adottate nelle turbine a gas
5. Perché non si effettuano molti risurriscaldamenti nei cicli a vapore?
6. Discutere vantaggi e svantaggi della combustione sequenziale nei cicli combinati
7. Confrontare le prestazioni energetiche dei preriscaldatori dell’acqua alimento di un ciclo a
vapore a superficie e a miscela.
8. Confrontare l’importanza del rendimento politropico del compressore sul rendimento del
ciclo per turbine a gas di derivazione aeronautica e industriale
9. Tracciare l’andamento al variare del rapporto di compressione di un ciclo recuperativo e di
un ciclo interrefrigerato (entrambi reali) di turbina a gas nel piano rendimento-lavoro utile.
10. Spiegare perché in un ciclo reale di turbina a gas il rapporto di compressione che
corrisponde al massimo lavoro utile è inferiore a quello che corrisponde al massimo
rendimento
11. Spiegare perché il lavoro reversibile del gas naturale è, alle usuali condizioni di pressione e
temperatura, compreso fra i valori del potere calorifico inferiore e superiore
12. Tracciare le curve caratteristiche di un compressore assiale operante in regime subsonico e
supersonico
13. Perché normalmente le turbine idrauliche hanno: (i) un solo stadio e (ii) poche pale?
14. Qual è il significato fisico del “size parameter”?
15. Come varia il numero di pale ottimo di una schiera all’aumentare dello spessore del bordo
di uscita delle pale (si suppongano invariate tutte le altre condizioni)
16. Si traccino i triangoli di velocità di due stadi a reazione operanti rispettivamente a basso e
ad alto numero di giri specifico
17. Si descriva il fenomeno della post-espansione a valle di una schiera di pale supersonica
18. Perché nei cicli aperti di turbina a gas è lecito trascurare gli effetti di gas reale?
19. Confrontare l’andamento dell’isobara critica per un fluido a molecola semplice e a
molecola complessa
20. Perché un liquido aumenta la temperatura in una laminazione isoentalpica?
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