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ANALISI TERMODINAMICA

Sistemi Energetici 2017-2018 - Prof. Massardo

Integrazioni sono state effettuate riferendosi ai testi: # G. Lozza, Turbine a Gas e Cicli combinati # R. Della Volpe, Macchine

Motori a combustione interna

La reazione di combustione avviene in seno al fluido che esegue lavoro Richiede l’utilizzo di combustibili raffinati L’aria comburente viene aspirata dall’ambiente (ciclo aperto) I gas caldi dopo aver compiuto lavoro vengono sfruttati termicamente o

rilasciati in ambiente 2 Sistemi Energetici 2017-2018 - Prof. Massardo

Ciclo reale di un turbogas sul piano P-V perdite di pressione in camera di combustione

3 Sistemi Energetici 2017-2018 - Prof. Massardo

Ciclo Joule ideale chiuso


Ciclo Joule ideale chiuso - rendimento


Ciclo Joule ideale – Lavoro Specifico


Ciclo Joule ideale – Casi particolari


Ciclo Joule ideale aperto


Ciclo Chiuso vs Ciclo Aperto Gas Perfetto Fluido assimilabile al gas ideale

(rispetta p*v=R_g*T) Non subisce variazioni di stato e di

composizione c_p costante indipendente dalla

temperatura

Fluido Reale Fluido reale sede di combustione

subisce variazioni di composizione c_p cresce in funzione della

temperatura


Ciclo Joule reale


Ciclo Joule reale

Perdite del ciclo reale 1. Compressione ed espansione non

isentropiche 2. Tratti «isobari» con perdite di

pressione 3. Perdite termiche verso l’esterno 4. Combustione incompleta 5. Perdita di massa 6. Irreversibilità di miscelamento 7. Perdite meccaniche 8. Perdite del generatore

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SC -Effetto rendimento compressore e turbina


EXHAUSTGAS

Turbine a gas a Ciclo Semplice


Diagramma di Sankey Il diagramma di Sankey mette in evidenzia i flussi di energia scambiati all’interno del ciclo Più della metà dell’energia

meccanica generata nell’espansore viene assorbita dal compressore

L’energia termica nei gas di scarico è quasi il 60% di quella del combustibile

Grazie all’elevata temperatura cui questa è disponibile può essere utilizzata per recuperare calore destinato ad Usi termici (cogenerazione) Generazione elettrica (cicli

combinati)


SC -Turbine a gas Heavy Duty Livello tecnologico meno spinto Privilegiano la robustezza e la semplicità

di manutenzione Configurazione Single shaft con velocità

di rotazione pari alla frequenza di rete I rapporti di compressione non elevati

(15-19) privilegiano il lavoro specifico e quindi l’energia prodotta a parità di portata d’aria/ sezione di aspirazione/ costi di installazione (eur/MW)


SC -Turbine a gas Areoderivative Più evolute tecnologicamente (TIT maggiori

(1400°C), materiali più performanti) Configurazione multi-shaft in cui la velocità di

rotazione pari alla frequenza di rete è imposta solamente alla turbina di potenza, le altri componenti possono variare velocità di rotazione

I rapporti di compressione elevati (>25) privilegiano il rendimento / autonomia di volo

Più leggere e compatte, hanno velocità di avviamento e variazione di carico maggiori

Minor cura dei valori di emissione


Confronto Heavy Duty vs Aeroderivative

Heavy Duty Aeroderivative T3 (T.I.T ISO) [°C] 1100-1350 1200 – 1450

β 12-24 20-43 T4 (T.O.T) [°C] 500-600 400 – 450

η 30-39 35-44 L_s [kJ/kg] 230-520 200-450 P_el [MW] 3-500 3-60

Negli ultimi anno le turbine Heavy Duty hanno raggiunto livelli tecnologici avanzati (turbine H con T.I.T. pari a 1500°C), che hanno il massimo del lavoro specifico per β maggiori

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Confronto Heavy Duty vs Aeroderivative Heavy Duty

GE 9F.05 (2000)

Heavy Duty GE 9HA.01

(2010)

Aeroderivative GE LM 6000

(1980) η 38.2 43.1 40.0 β 18.3 (14 stages) 23.5 (14 stages) 33.5 (19 stages)

T4 (T.O.T) [°C] 640 (3 stages) 629 (4 stages) 470 (7 stages) T3 (T.I.T) [°C] / eta_t=0.9 1450 1487 1222

Exhaust Energy [MW] 498 588 65

725.3 872.8 132.6 L_s [kJ/kg] 432 511 422

SC P_el [MW] 314 446 56 GT turndown MEL [%] 35% 30% 25%

GT Ramp Rate (MW/min) 24(7.6%/min) 65 (14.5%/min) 50 (90%/min) Startup time [hot,Minutes] 23 23 5 Nox at Base Load [ppmvd]

@15%O2 25 25 25

CO [ppm] @15%O2 24 9 94/150 27

La rigenerazione nel ciclo ideale è possibile per 𝛽 < 𝜏0.5∗𝑘/(𝑘−1)


4

11 11)1(

11TTR

recuperato −=−=−−

−= −=

τβ

βτβη

λ

λ

λ


Recuperatore

Componente aggiuntivo del ciclo, il suo costo ed ingombro limitano le applicazioni a basse potenze

Tecnologie avanzate (leghe al Ni, al Co e materiali Ceramici) permettono di sopportare temperature maggiori => incrementare le prestazioni del ciclo

Le caratteristiche di conducibilità termica dei materiali e le geometrie adottate influenzano il comportamento in off-design

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Recuperatore nelle micro GT le perdite di pressione nel componente

hanno un peso in termini di rendimento non trascurabile. Si stima, infatti, che un aumento dell’1% delle perdite di carico possa portare a diminuzioni dello 0.3% del rendimento globale

Esistono differenti configurazioni: recuperatore a geometria piana posto in

linea con lo scarico della turbina recuperatore «wrap-around» integrato

pp /∆

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RC-Prestazioni e confronto Il rendimento dei cicli rigenerativi

dipende poco dal beta, al contrario del ciclo semplice

Il lavoro specifico è inferiore a quello dei cicli semplici a parità di beta per effetto delle perdite di carico del rigeneratore

Rendimento e temperature di cicli semplici e rigenerativi per microturbine a gas, calcolati secondo assunzioni coerenti con le tecnologie adottate per le MTG (η_p,c=0.85, η_p,t=0.825, εRIGEN=0.85, η_el/mecc=0.9, Δp/p=1%(asp.), 1% (rigen.aria), 3%(comb.), 3%(rigen.gas), 3%(scarico)). 39

IC-Prestazioni e confronto


Applicazioni di interrefrigerazione

Turbina LMS 100

Il lavoro specifico del ciclo passa da 330.75 kJ/kg (150 kW/pps) del ciclo non interrefrigerato a 463.05 kJ/kg (210 kW/pps) del ciclo con intercooler

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Applicazioni di interrefrigerazione Lo scambiatore di calore intermedio, l’Intercooler, oltre a introdurre una

perdita di carico aggiuntiva, necessita di rilasciare in ambiente il calore

Scambiatore IC ad Acqua e torre di raffreddamento a tiraggio forzato

Wet Intercooler System

Scambiatore IC ad Aria Dry Intercooler System

with Air-to-Air Heat Exchanger 51

Confronto Ciclo Semplice vs IC SC

GE LM 6000 IC

GE LMS 100 η 40.0 43.4 β 33.5 (19 stages) 42.5 (20 stages)

T4 (T.O.T) [°C] 470 (7 stages) 422 (9 stages) T3 (T.I.T) [°C] / eta_t=0.9 1222 1284

Exhaust Energy [MW] 65 103

132.6 237.6 L_s [kJ/kg] 422 484

SC P_el [MW] 56 115 GT turndown MEL [%] 25% 15%

GT Ramp Rate (MW/min) 50 (90%/min) 50 (43.5%/min) Startup time [hot,Minutes] 5 8 Nox at Base Load [ppmvd]

@15%O2 25 25

CO [ppm] @15%O2 94/150 95/250 52

RH - Ciclo ReHeat


Reheat – Ciclo ideale


ReHeat - Considerazioni


ReHeat – Mappe di Prestazione


RH-Prestazioni e confronto


Applicazioni di Ciclo ReHeat Il lavoro specifico del ciclo arriva a

482 kJ/kg e il rendimento al 41% pur mantenendo TIT contenute

L’elevato rapporto di compressione (β=34) porta ad avere temperature di scarico compressore elevate

Elevata temperatura allo scarico (TOT =616 °C)

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Confronto Ciclo Semplice vs RH SC Heavy Duty

GE 9F.05 RH

AEN GT26 η [%] 38.2 41 β 18.3 (14 stages) 34 (22 stages)

T4 (T.O.T) [°C] 640 (3 stages) 615 (1+4 stages) T3 (T.I.T) [°C] / eta_t=0.9 1450 1155/1290

Exhaust Energy [MW] 498 470

725.3 715 L_s [kJ/kg] 432 482

SC P_el [MW] 314 345 GT turndown MEL [%] 35% 10%

GT Ramp Rate (MW/min) 24(7.6%/min) 33 (9.5%/min) Startup time [hot,Minutes] 23 -

Nox at Base Load [ppmvd] @15%O2 25 <30 CO [ppm] @15%O2 24 <10

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Metodi per migliorare le prestazioni dei cicli a gas

Ciclo Ericsson Approssimazione tecnica

Qrec


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Autovalutazione

Per sostenere l’esame è necessario:

saper disegnare gli schemi di impianto e i piani termodinamici associati (SC,RC, IC,RH)

saper calcolare gli scambi di energia in ingresso e in uscita ai cicli (calore e lavoro)

aver chiaro il concetto di rendimento e di lavoro specifico

saper calcolare i rendimenti dei cicli ideali (SC ed RC) e conoscere gli andamenti qualitativi di quelli reali in funzione dei parametri di processo

saper spiegare l’effetto delle modifiche del ciclo semplice (RC, IC, RH)

ricordare i valori tipici di beta (SC HD, SC Aeroderivate, RC, IC,RH )

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