Turbine a gas 2

Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Rigenerazione – Ciclo ideale -1
Migliorare le prestazioni di un ciclo
termodinamico significa….
Incrementare il lavoro utile (↑ Wu)
Incrementare il rendimento (↑ Wu, ↓ Q1)
La Rigenerazione sostituisce parzialmente lo
scambio di calore superiore con un recupero
di calore interno al ciclo
Nel caso della turbina a gas, la rigenerazione
é possibile utilizzando il calore sensibile dei
gas di scarico
La portata d'aria alla mandata del
compressore (punto 2) viene preriscaldata,
prima dell'ingresso in camera di combustione,
mediante recupero termico dai gas di scarico
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Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Rigenerazione – Ciclo ideale -2
Per la rigenerazione risulta necessaria
l‘introduzione di uno scambiatore rigenerativo
aria/gas combusti
Effetto negativo: perdite di pressione
Sia
lato aria che lato gas
Ampie superfici di scambio (a causa dei valori ridotti
del coefficiente di scambio termico gas/gas)
La rigenerazione non è sempre possibile
Condizione necessaria affinché sia possibile è che la
temperatura di scarico dei gas dalla turbina sia
maggiore della temperatura di uscita del compressore
T4>T2
Nel piano T-s, l’area sottesa dalle isobare nei tratti (4E) e (2-B) risulta uguale ( Area (A2BC)=Area (DE4F))
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S
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Facoltà di Ingegneria
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Sezione di Macchine
Rigenerazione – Ciclo ideale -3
Il Grado di rigenerazione è definito come
rapporto fra il calore recuperato e quello
massimo recuperabile:
h4 − hE c p 4 e ·(T4 − TE )
=
R=
h4 − h2 c p 42 ·(T4 − T2 )
Gas perfetto
Corrisponde al rendimento dello
scambiatore recuperativo
Il massimo calore recuperabile corrisponde al salto di
temperatura dei gas combusti da T4 (scarico gas) a T2
(uscita dal compressore)
Di frequente si hanno valori di R compresi tra 0.6 e 0.8
giustificati da considerazioni di carattere economico
legate al contenimento delle superfici di scambio
S
Sono
dQ = Tds =
dh = cp dT
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Rigenerazione – Ciclo ideale -4
Rendimento del ciclo completamente rigenerato
Espressione del rendimento per R = 1
T4
= TB e TE = T2
Q2
TE − T1
T2 − T1
ηid ,R=1 = 1− Q1 = 1 − T − T = 1 − T − T
3
B
3
4
η
id , R =1
=1−
T2
T3
T1
T1
−(
T4
−1
T3
)(
T3
T1
)
=1−
β
ε
−1
−ε
τ −β τ
 ε
β

ηid ,R =1 =1− τ

=1−
β
ε
−1
 τ  ε 
− 1
ε  β

β








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S
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Sezione di Macchine
Rigenerazione – Ciclo ideale -5
Al crescere di β, il rendimento del ciclo rigenerato diminuisce
Si ha convenienza a realizzare cicli rigenerati per TG con……
Bassi
rapporti di compressione
Elevate temperature massime
Il lavoro specifico del ciclo ideale rigenerato non varia rispetto al ciclo semplice
I
rendimenti di ciclo semplice e rigenerato
si eguagliano per β=β*=τ1/(2ε)
La curva del rendimento è molto “piatta”
per β < β* per i valori correnti di R…
– Per questo valore di β, T4 = T2 ed il ciclo
non risulta più rigenerabile
– Oltre tale rapporto di compressione la
temperatura allo scarico della turbina
risulta inferiore alla temperatura di
mandata del compressore (Rigenerazione
impossibile)
Il
rapporto di compressione β* è lo stesso
valore per il quale si massimizza il lavoro
specifico
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Sezione di Macchine
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Facoltà di Ingegneria
Rigenerazione – Considerazioni sul Ciclo reale
Valutando la rigenerazione nel ciclo reale si devono tener presente
diversi aspetti
Se il rendimento del compressore peggiora, il calore rigenerabile si riduce
Se il rendimento di turbina peggiora, il calore rigenerabile aumenta
Esistono perdite di pressione interne allo scambiatore
Lato
aria (a monte della camera di combustione)
Lato gas (A valle della turbina – contropressione allo scarico)
A parità di rapporto di compressione complessivo β,
si riduce il salto di pressione effettivamente
sfruttabile dalla turbina
(Diminuisce il lavoro utile (area del ciclo))
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Sezione di Macchine
Mappe di prestazioni di turbogas a ciclo rigenerato
Le condizioni ottimali per
il rendimento - a Tmax
costante - vengono
raggiunte per rapporti di
compressione contenuti
Infatti il rendimento delle
turbine a gas a ciclo
rigenerato aumenta al
diminuire di ß
β
Per valori di ß più elevati
si raggiunge il massimo
del lavoro specifico
Le curve (al crescere di ß)
sono percorse in senso
orario
Verso antiorario per il ciclo semplice!
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Facoltà di Ingegneria
Casi applicativi -1
La rigenerazione diminuisce la
temperatura dei gas allo
scarico e quindi la macchina
con tale modifica non si presta
all’ulteriore recupero termico
(impianto
combinato
e/o
cogenerazione)
Le turbine a gas rigenerate non
sono molto diffuse
Di recente la Solar ha
sviluppato la turbina a gas
Mercury 50
Turbina a gas rigenerata ad
alta efficienza (40%)
Basso
rapporto
di
compressione
Potenza generata 4.3MW
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Casi applicativi -2
Le turbina a gas rigenerate sono generalmente di piccola taglia
Applicazioni per autotrazione (automobili, tanks, locomotive)
Un esempio degli anni 60 è riportato sotto
Recentemente si sono diffuse le
microturbine (50-200 kW, che
operano in genere con ciclo
rigenerato)
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Interrefrigerazione della compressione
Per aumentare il lavoro utile è
vantaggioso diminuire il lavoro assorbito
dal compressore
Il modo più efficace per contenere il lavoro di
compressione è l'adozione di uno o più
raffreddamenti intermedi nel corso della
compressione
Il
secondo compressore opera su un fluido di
densità
più
elevata
a
seguito
del
raffreddamento
Il lavoro minimo si otterrebbe con
una
compressione isoterma
Si ha un aumento del lavoro specifico
– Diminuisce il lavoro di compressione
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Interrefrigerazione -1
Analisi delle prestazioni del ciclo
Cresce la potenza (ciclo ideale) …
–Nel piano T-s, si può notare l’aumento
dell’area (2° ciclo)
–Nel piano h-s, si può notare come il salto di
entalpia della seconda compressione risulta
minore rispetto all caso non interrefrigerato
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∆h27
h
∆h34
(h4-h3)<(h7-h2)
La potenza aumenta anche nel caso del
ciclo reale (anche considerando la perdita
di pressione introdotta dalla scambiatore,
che riduce l’effetto utile)
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Interrefrigerazione – ciclo Ideale -2
Il rendimento nel ciclo ideale e limite diminuisce
Il ciclo interrefrigerato è costituito da due cicli
affiancati.
–Il 2° ciclo evolve tra le pressione pB e pC
» Rendimento ideale:
−ε
 pC 
η2 =1− 
 pB 
 pC 
η1 = 1−  
 pA 
−ε
–Risulta che η2<η1 (minore β)
–Il rendimento del ciclo (media pesata tra i
rendimenti η2, η1 con pesi i calori scambiati con
la sorgente superiore) è inferiore a η1
–Il 1° ciclo evolve tra le pressione pA e pC
» coincide con il
interrefrigerazione
ciclo
semplice
senza
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Interrefrigerazione – ciclo reale
Si può dimostrare, invece, che nel caso reale si possono avere dei benefici
in termini di rendimento
Dipende
dai valori dei rendimenti di compressione
e dalla scelta del livello intermedio di pressione
Se la 3-4 e la 2-7
sono politropiche con lo
stesso esponente m
S8 = S4
T8 = T3
S9 = S7
T9 = T2
CICLO (3472) = CICLO (8479)
Il ciclo 2 reale equivale ad un ciclo ideale
che evolve tra isobare più distanziate
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p 
η 2 = 1 −  C 
 pD 
⇒ η 2 < η1
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−ε
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Interrefrigerazione – alcune considerazioni
L'interrefrigerazione incrementa la possibilità di rigenerazione
Si abbassa la temperatura alla mandata del compressore
l'adozione dell'interrefrigerazione può essere una soluzione per rendere
rigenerabili turbogas ad alto rapporto di compressione
Generalmente, la temperatura di ingresso del
compressore è di poco superiore a quella ambiente
secondo
Lo scambiatore di calore necessita di un fluido di raffreddamento a
temperatura ambiente (in genere acqua)
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Sezione di Macchine
Interrefrigerazione – Mappe di prestazioni
Si può constatare un
aumento del lavoro
specifico, caratteristico
di queste soluzioni
Al crescere della T3 il
rendimento
risulta
ottimizzato per valori di
β molto elevati
β
Al di fuori dell’attuale
campo di interesse
Verso antiorario come per il per il ciclo semplice!
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Sezione di Macchine
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Facoltà di Ingegneria
Interrefrigerazione – Applicazioni
Le
applicazioni
più
moderne
dell'interrefrigerazione
prevedono
l’adozione di un β molto contenuto nella
prima fase di compressione
β1=1.6 - 3; in pratica dopo 3 - 5 stadi nel
caso di compressori assiali
In tal modo è possibile conseguire nel
ciclo reale vantaggi anche sul rendimento
Importanti applicazioni sono …
nel campo della propulsione navale ad
alta velocità
Rolls
Royce
RB211
(aeroderivata;
interrefrigerazione con rigenerazione)
In impianti turbogas di tipo complesso
Cicli ad aria umidificata
Cicli combinati con gassificazione del
carbone
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Sezione di Macchine
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Facoltà di Ingegneria
General Electric LMS-100
Turbogas interrefrigerato derivato dalla LM6000.
Rendimento 50% circa.
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Facoltà di Ingegneria
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Sezione di Macchine
PostCombustione (“Reheat”)
1
2
3
4
5
6
Per aumentare il lavoro utile si può agire per
aumentare il lavoro dalla turbina
S
È possibile installare un secondo combustore dopo
una parziale espansione (“Reheat”)
Ciò è consentito dall'ampia disponibilità di
ossigeno residuo nei gas allo scarico della
turbina (La prima camera di combustione
presenta un eccesso di aria complessivo elevato
(α = 40÷60) )
Nel caso della propulsione aeronautica, con la
seconda combustione si innalza la temperatura
dei gas a valori molto elevati, in quanto
l’espansione successiva avviene in un organo
statico (ugello propulsivo)
Nel
caso di applicazioni terrestri, la
temperatura della seconda combustione risulta
limitata a quella della prima combustioneT3 in
quanto dopo la seconda combustione si ha una
turbina a gas
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Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Postcombustione – Reheat -1
Aumenta la potenza
Nel
piano T/s (ciclo ideale), si può notare
l’aumento dell’area (ciclo II)
Nel piano h/s, si nota l’incremento del
salto di entalpia della seconda espansione
La potenza aumenta anche nel caso del
ciclo reale
Il rendimento nel ciclo ideale diminuisce
T
3
5
4
2
6
Nel
caso ideale il ciclo con reheat è
costituito da due cicli TG affiancati.
– Avendo il II ciclo un rapporto di
compressione minore, risulta che ηII<ηI
– Il rendimento complessivo di ciclo (media
pesata rispetto ai calori forniti) risulta
inferiore a ηI
7
1
Ciclo II
S
Il rendimento diminuisce anche nel ciclo
reale
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Pag. 19
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Reheat- Postcombustione – considerazioni
La realizzazione del reheat-postcombustione è facilitata
all’interrefrigerazione) dalla semplicità e compattezza dell'impianto
(rispetto
In campo aeronautico, la postcombustione è una tecnica sviluppata ed
applicata largamente nel campo della propulsione aeronautica supersonica
Non richiede componenti aggiuntivi (scambiatori di calore) e fluidi di raffreddamento
La successiva espansione non avviene in turbina ma in un ugello propulsivo (componente
fisso che può essere più agevolmente schermato e/o realizzato in materiale adatto per le
altissime temperature)
Nelle applicazioni terrestri, la postcombustione interessa soprattutto perché
aumenta le possibilità di rigenerazione interna od esterna al ciclo
Conseguenza dell'incremento di temperatura allo scarico della turbina
L'adozione della postcombustione può essere interessante in impianti turbogas per
usi cogenerativi o con recupero di calore allo scarico (cicli combinati)
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Pag. 20
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Postcombustione – curve di prestazione
In questo caso rendimento e potenza specifica crescono sempre al
crescere di ß
β
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
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UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Postcombustione - Applicazioni
GE F110-100 Afterburning
Militar Turbofan Engine
J79 Turbojet Engine with Afterburner
Militar Turbofan Engine
ABB GT24/26
Heavy duty gas turbine with reheat
W=179.0MW, η=38.2%,
β = 30, mg = 391kg/s, Tg_scarico= 640 °C
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
Pag. 22
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Iniezione di vapore o di acqua
L'iniezione di vapore o di acqua è interessante per ottenere
uno o più dei seguenti vantaggi:
Aumento della potenza
Aumento del rendimento
Riduzione degli ossidi di azoto nei gas di scarico
Si realizza mediante l’iniezione di acqua o vapore a monte
della camera di combustione.
Può comportare una forma di rigenerazione utilizzando il calore
sensibile dei gas di scarico.....
L’acqua
iniettata può essere preriscaldata dai gas di scarico
Il vapore può essere prodotto raffreddando i gas di scarico
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
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Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Iniezione di di acqua
L'impiego dell'iniezione di acqua a valle del
compressore fu introdotto già negli anni 50
comporta un aumento di potenza
rapidamente
abbandonato
nelle
applicazioni
aeronautiche, a causa della necessità di trasportare
l'acqua da iniettare
Riscoperto nelle applicazioni industriali negli anni ’80 per
i positivi effetti sulle emissioni inquinanti
L’aumento di lavoro specifico è dovuto all'incremento
di portata e peso molecolare dei gas che espandono
in turbina
il
lavoro del compressore risulta poco variato: si
determina quindi un aumento della potenza netta.
comporta diminuzioni del rendimento
La
quantità di calore assorbita dalla evaporazione è
molto alta per unità di massa.
Il raffreddamento evaporativo dell’aria prima dell’ingresso
in camera di combustione diminuisce il valore medio
della temperatura equivalente dello scambio termico
superiore (aumentano le irreversibilità nella combustione)
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
Pag. 24
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica “S.Stecco”
Sezione di Macchine
Iniezione di vapore
L'iniezione di vapore è positiva anche in
termini di rendimento.
La produzione del vapore avviene mediante
un generatore di vapore a recupero attraverso
il quale passano i gas di scarico della turbina
Rigenerazione
L’incremento di prestazioni può essere molto
rilevante:
50-80% in termini di potenza
10-30% in termini di rendimento
La soluzione è stata applicata su macchine
aeroderivate impiegate nella cogenerazione di
energia elettrica e termica in ambito
industriale.
Allison/General
Motors 501KH, 4/6 MWe
Kawasaki M1A-13-CC, 2/4 MWe
GE: LM1600-2500-5000; 20/45 Mwe
Le TG di derivazione aeronautica si prestano meglio, perché
possono far fronte all’aumento del rapporto di compressione
richiesto dall’ostruzione aerodinamica rappresentata
dall’iniezione del vapore (ad es. variando il numero di giri).
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
Pag. 25
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
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Sezione di Macchine
Iniezione di vapore
L'iniezione di vapore è positiva anche in
termini di rendimento.
La produzione del vapore avviene mediante
un generatore di vapore a recupero attraverso
il quale passano i gas di scarico della turbina
Rigenerazione
L’incremento di prestazioni può essere molto
rilevante:
50-80% in termini di potenza
10-30% in termini di rendimento
La soluzione è stata applicata su macchine
aeroderivate impiegate nella cogenerazione di
energia elettrica e termica in ambito
industriale.
Allison/General
Motors 501KH, 4/6 MWe
Kawasaki M1A-13-CC, 2/4 MWe
GE: LM1600-2500-5000; 20/45 Mwe
Le TG di derivazione aeronautica si prestano meglio, perché
possono far fronte all’aumento del rapporto di compressione
richiesto dall’ostruzione aerodinamica rappresentata
dall’iniezione del vapore (ad es. variando il numero di giri).
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Iniezione di vapore
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