Impianti motori termici
• Classificazione:
– impianto motore termico con turbina a vapore
il fluido evolvente nell’impianto è acqua in diversi stati di
aggregazione
– impianto motore termico con turbina a gas
il fluido evolvente nell’impianto è un gas
– impianto a motore a combustione interna alternativo
il fluido evolvente è un gas che viene periodicamente
ricambiato
– impianto motore combinato
110
Impianti a vapore
• Fluido:
acqua che evolve nello stato di liquido,
vapore o vapore surriscaldato.
• Schema elementare: quattro componenti
fondamentali
–
–
–
–
generatore di vapore
turbina
condensatore
pompa di alimento
• Ciclo termodinamico di riferimento
ciclo di Rankine
111
Ciclo di Rankine
• Studio del ciclo limite (fluido reale e componenti perfetti)
Qass = h3 − h1' ;
⇒ ηR =
Qced = h4 − h1 ;
( h − h ) − ( h1' − h1 )
Qass − Qced
L
=
= 3 4
Qass
Qass
h3 − h1'
Lturb = h3 − h4 ;
•
•
L = Lturb − L pompa ;
L pompa = h1' − h1
All’interno dell’impianto il fluido motore subisce un
cambiamento di stato passando da liquido a vapore
La fase di compressione avviene sul liquido mentre
l’espansione interessa il vapore. In tal modo il lavoro
speso per la compressione e molto contenuto al punto
di potersi trascurare in prima approssimazione
&
′Q
P
I.V.
&
′′ Q
112
Impianti a vapore
• Metodi per incrementare il rendimento negli impianti a
vapore
•
•
•
•
•
Aumento della pressione massima
Surriscaldamento del vapore (ciclo di Hirn)
Risurriscaldamento del vapore
Rigenerazione
Riduzione della isobara inferiore
113
Impianti a vapore
aumento del rendimento
• Surriscaldamento del vapore
– Ciclo di Hirn
Una volta raggiunta la curva limite
superiore il vapore viene surriscaldato
prima di essere inviato in turbina
il rendimento del ciclo è
⇒ ηR =
( h − h ) − ( h1' − h1 )
Qass − Qced
L
=
= 3 4
Qass
Qass
h3 − h1'
i principali vantaggi sono:
• aumento del lavoro utile
• aumento del rendimento limite
• aumento del titolo del vapore allo scarico
della turbina
114
Impianti a vapore surriscaldato
•
aumento del rendimento limite
– Il ciclo termodinamico può essere visto come somma di tre sottocicli (I,
II, III)
– analogamente sia il calore fornito al ciclo che il lavoro ottenuto possono
essere scomposti in tre contributi:
Le= LI+ LII + LIII
Q’e= Q’I+ Q’II + Q’III
– quindi il rendimento dell’intero ciclo può essere scritto:
LI
L II
L III
L I + L II + L III
=
η
η II =
η III =
ηl =
I
′
Q I′
′
Q I′ + Q II′ + Q III
Q II′
Q III
ηl =
′
η I Q I′ + η II Q II′ + η III Q III
′
Q I′ + Q II′ + Q III
Poiché ηI< ηII< ηIII il rendimento dell’intero ciclo risulta essere
incrementato.
115
Impianti a vapore surriscaldato
• Risurriscaldamento del vapore
E’ possibile operare surriscaldamenti successivi oltre al primo. Il vapore, dopo
una parziale espansione in turbina viene rinviato al generatore del vapore dove
subisce un nuovo incremento della temperatura.
I vantaggi di questo intervento sono analoghi a quelli del singolo
surriscaldamento mentre gli svantaggi sono legati alle grandi dimensioni delle
tubature e degli scambiatori di calore del ri-surriscaldamento a causa
dell’incremento del volume specifico del vapore
116
Impianti a vapore
aumento del rendimento
• Riduzione della pressione di condensazione
•
L’isobara di condensazione può essere abbassata
ottenendo un benefico effetto sul rendimento del
ciclo nonché sul lavoro che può essere ottenuto.
Questo è dovuto alle proprietà del vapore d’acqua:
le isobare isoterme di condensazione sono molto
addensate alle alte pressione mentre risultano molto
discoste ad alte temperature
Una diminuzione della pressione di condensazione
consente un incremento dell’area sottesa dal ciclo
η
1 23 4
l
h3 − h4
=
h3 − h1
ηl1234 =
h3 − h4 (h3 − h4 ) + (h4 − h4 )
=
h3 − h1 (h3 − h1 ) + (h1 − h1 )
Il secondo rendimento è maggiore del primo poiché ∆h44 > ∆h1 1
117
Impianti a vapore
Condensatore
• Diminuendo la pressione di condensazione si ottiene una
conseguente diminuzione della temperatura di condensazione da
100 °C (p=1.01 bar) ad un valore inferiore (32 °C a 0.035 bar).
⇒ Il condensatore deve garantire la tenuta del vuoto
• N.B. In condizioni di condensazione il legame tra pressione e
temperatura del vapore è univocamente determinato e la
determinazione delle condizioni di condensazione viene
praticamente determinata dalle potenzialità della sorgente fredda
118
Impianti a vapore
Condensatore
•
Condensatore
Il condensatore è uno scambiatore di calore a superficie a correnti incrociate. Il
vapore che deve condensare lambisce i tubi al cui interno scorre il fluido
refrigerante (acqua in circuito aperto o chiuso) e su questi condensa venendo
raccolta nel pozzo caldo
119
Impianti a vapore
Condensatore
120
Condensatore
Bilancio termico
•
Il flusso termico che interessa il condensatore è:
Q& cond = m& v r4 x4
•
dove r4 è il calore latente di condensazione ed x4 è il titolo del vapore allo
scarico della turbina
Questo calore deve essere smaltito dal condensatore:
αS (Tvap − Tacqua )
•
con S superficie totale di scambio termico e α coefficiente di scambio
E deve essere ceduto all’acqua refrigerante:
m& a c (Tu − Ti )
con c calore specifico dell’acqua (c=4.186 kJ/kgK)
121
Condensatore
Bilancio termico
• Il bilancio termico del condensatore mette in evidenza il
quantitativo di acqua necessario per soddisfare le
esigenze del condensatore:
m& a
r4 x4
=
m& v c (Tu − Ti )
122
Condensatore
impatto ambientale
• L’acqua di raffreddamento
come detto circola in
circuito aperto o chiuso
– Circuito chiuso: il calore
assorbito dall’acqua di
raffreddamento all’interno
del condensatore viene
dissipato all’interno di torri
di raffreddamento
123
Torri di Raffreddamento
124
Condensatore
impatto ambientale
– Circuito aperto: In questo caso (il più comune per impianti di
media ed elevata potenza) l’acqua di raffreddamento viene
prelevata da una sorgente naturale (mare, fiume).
• La temperatura di ingresso dell’acqua nel condensatore risulta pertanto
determinata dalle caratteristiche ambientali
• Non è possibile, inoltre, restituire acqua al suo flusso naturale ad una
temperatura superiore a 10 °C rispetto alla temperatura di prelievo
A causa di queste limitazione la potenza dell’impianto risulta
essere determinata dalle condizioni al condensatore (a parità di
condizioni di immissione del vapore in turbina). Infatti:
la temperatura di condensazione viene determinata a partire
dalla temperatura dell’acqua di raffreddamento.
la portata di vapore evolvente nell’impianto viene determinata
a partire dalla disponibilità di acqua
125
Potenza di un impianto a vapore
• Calcolo della potenza di un Impianto a Vapore
Piv = m& c H i η g = m& c H i ηbηlηiηm
ηb =
m& v (h3 − h1 )
m& c H i
ηi =
(h3 − h4′ )
(h3 − h4 )
ηl =
(h3 − h4 )
(h3 − h1 )
Piv = m& v (h3 − h4′ )ηm
• Consumo specifico di vapore cs vapore
kg vapore / h
m& v
1
=
=
≅ 2. 5 ÷ 3
Piv (h3 − h4′ )ηm
kW
• Consumo specifico di combustibile
1
/h
m& c
kg
=
≅ 0.2 ÷ 0.33 c om bustibile
126
Piv H iη g
kW
Condensatore:
Impatto ambientale
•
Richiesta d’acqua refrigerante
kg acqua
m& a
r4 x4
2100 ⋅ .95
=
=
≅ 50
m& v c(Tu − Ti ) 4.186 ⋅ 10
kg vapore
•
Impianto di potenza 1000 MW:
m& c = 0.25 ⋅ 106 kg / h = 250 t / h
m& v = 2.5 ⋅ 106 kg / h = 2500 t / h
m& a cond = 50 ⋅ 2500 t / h = 125.000 t / h acqua refrigerante
127
Impianti a vapore
aumento del rendimento
• Rigenerazione
ηl =
′
η I QI′ + η II Q II′ + η III QIII
′
Q I′ + Q II′ + Q III
η I < η II < η III
L’idea fondamentale della rigenerazione è quella di ridurre al
minimo l’effetto del primo ciclo (riscaldamento dell’acqua) sulla
determinazione del rendimento del ciclo.
Idealmente se si riuscisse ad annullare il calore scambiato nel
primo ciclo Q’I=0 il risultato sarebbe ottimale. Ciò non è possibile
poiché sarebbe necessario operare la compressione su un fluido
bifase con due effetti negativi:
– si riduce in modo sostanziale l’effetto di diminuzione del lavoro di
compressione
– e’ necessario disporre di una macchina operatrice che operi, con rendimenti
128
ottimali, su un fluido bifase.
Rigenerazione
• Rigenerazione ideale:
idealmente è possibile fornire il calore
necessario al riscaldamento dell’acqua
sottraendolo alla trasformazione di
espansione e facendogli seguire una
trasformazione isodiabatica con
riferimento alla trasformazione di
riscaldamento.
Il calore fornito dall’esterno al ciclo è dato
′
pertanto dalla somma Q’II+Q’III ottenendosi
η Q′ + η III QIII
ηl = II II
inoltre una diminuzione del calore fornito
′
QII′ + QIII
alla sorgente a bassa temperatura
129
Rigenerazione
•
•
In effetti la rigenerazione non può essere
effettuata in modo continuativo durante
l’espansione del vapore. Non è infatti
possibile effettuare contemporaneamente lo
scambio di lavoro e la sottrazione di calore.
Rigenerazione per spillamento
Si preleva una porzione del vapore
effluente in turbina (spillamento) e lo si
invia ad un scambiatore di calore (a
superficie o a miscela) nel quale fluisce
l’acqua di alimento che viene pertanto
riscaldata.
Quindi, invece di sottrarre una parte del
calore a tutto il fluido viene sottratto tutto
il calore ad una parte del fluido.
130
Rigenerazione
calcolo del rendimento
•
•
•
Impianto rigenerativo
La rappresentazione del ciclo non può
essere effettuata sul piano T-s perché la
quantità di fluido che evolve nel ciclo è
differente
Il rendimento del ciclo di Hirn con (1+Me)
kg di fluido evolvente}
(1 + M e )(h3 − h4 ) = (h3 − h4 )
ηlHIRN =
(1 + M e )(h3 − h1 ) (h3 − h1 )
IL rendimento del ciclo rigenerativo è
(
h3 − h4 ) + M e (h3 − h5 )
ηl R =1 =
(1 + M e )(h3 − h2 r )
poiché: M ( h − h ) = (1 + M )( h − h )
e
5
1
e
2r
1
− h2 r − M e h2 r = − h1 − M e h5
1+Me
3 1
∼
4
T
GV
Me
5
131
Rigenerazione
calcolo del rendimento
•
Sostituendo si ottiene la seguente espressione:
(
h3 − h4 ) + M e (h3 − h5 ) (h3 − h4 ) + M e (h3 − h5 )
=
ηl R =1 =
h3 + M e h3 − h1 − M e h5 (h3 − h1 ) + M e (h3 − h5 )
poiché nella precedente espressione, al rendimento limite del ciclo di Hirn senza
rigenerazione viene aggiunta a numeratore e a denominatore una medesima quantità se
ne deriva:
ηl R =1 =
•
(h3 − h4 ) + M e (h3 − h5 ) > (h3 − h4 ) = η
(h3 − h1 ) + M e (h3 − h5 ) (h3 − h1 ) Hirn
Ovvero il rendimento del ciclo rigenerativo è superiore del rendimento del ciclo senza
rigenerazione
La precedente espressione fornisce inoltre uno strumento atto alla valutazione della
portata di spillamento ottimale
132
Rigenerazione Termica
Spillamenti multipli
•
•
•
•
Per cercare di aumentare l’effetto benefico della
rigenerazione termica si possono prevedere un
numero maggiore di gradini di rigenerazione.
L’effetto di tali ulteriori gradini di continua ad
essere positivo come si può osservare dal
seguente grafico.
Tuttavia l’incremento percentuale di rendimento che corrisponde all’aggiunta
di ulteriori gradini di rigenerazione viene via via a diminuire e si deve pertanto
tenere conto del bilancio economico tra il risparmio conseguente alla
rigenerazione più spinta con il maggiore costo dell’impianto.
Il numero di spillamenti presenti lungo la linea di espansione è pertanto
funzione della potenza dell’impianto stesso e quindi della sua “importanza”
133
Rigenerazione Termica
Degasatore
• Usualmente nella linea rigenerativa di
un impianto a vapore è presente almeno
un rigeneratore a miscela con funzione
di degasatore (separatore dei gas
incondensabili che creano problemi sia
all’interno delle pompe e della caldaia
sia al condensatore innalzandone il
valore della pressione di condensazione
- pressione parziale -)
• Ad una pressione compresa tra 3 e 6 bar
l’ossigeno e gli altri incondensabili
hanno una solubilità minima nell’acqua
gas
acqua
vapore
acqua
preriscaldata
134
Rigenerazione
Limiti di potenza
• La presenza di una linea rigenerativa consente di ottenere, a pari
potenza dell’impianto, un condensatore di minori dimensioni:
Pturbina =
n spill .
∑ m& ∆h η
i =1
i
i t
= m& cond ∆h*
in assenza di spillamenti il valore del salto entalpico fittizio
coincide con quello della turbina mentre in presenza di
spillamenti ogni singolo stadio della linea di espansione fornisce
un contributo superiore poiché attraversato da una quantità di
vapore superiore e quindi il salto di entalpia fittizio risulta
maggiore rispetto a quello reale.
135
Schema di Impianto a vapore
136
Impianto a vapore
137
Impianti a vapore
138
