110

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 gasil fluido evolvente nell’impianto è un gas

– impianto a motore a combustione interna alternativoil fluido evolvente è un gas che viene periodicamente ricambiato

– impianto motore combinato

111

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 riferimentociclo di Rankine

112

Ciclo di Rankine

; ; ; = 14'13 pompaturbcedass LLLhhQhhQ −=−=−

'13

1'143R

)()( hh

hhhhQ

LQ

QQ

assass

cedass

−−−−

==−

=⇒ η

1'143 ; hhLhhL pompaturb −=−=

I.V.

Q′ &

Q′′ &P

• 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

• Studio del ciclo limite (fluido reale e componenti perfetti)

113

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

114

Impianti a vaporeaumento 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

i principali vantaggi sono:• aumento del lavoro utile• aumento del rendimento limite• aumento del titolo del vapore allo scarico

della turbina

'13

1'143R

)()( hh

hhhhQ

LQ

QQ

assass

cedass

−−−−

==−

=⇒ η

115

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:Q’e= Q’I+ Q’II + Q’III Le= LI+ LII + LIII

– quindi il rendimento dell’intero ciclo può essere scritto:

Poiché ηI< ηII< ηIII il rendimento dell’intero ciclo risulta essere incrementato.

IIIIII

IIIIIIl QQQ

LLL′+′+′

++=η

I

II Q

L′

=ηII

IIII Q

L′

=ηIII

IIIIII Q

L′

=η

IIIIII

IIIIIIIIIIIIl QQQ

QQQ′+′+′

′+′+′=

ηηηη

116

Impianti a vapore surriscaldato

• Risurriscaldamento del vaporeE’ 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

117

Impianti a vaporeaumento del rendimento

• Riduzione della pressione di condensazioneL’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

Il secondo rendimento è maggiore del primo poiché

( ) ( )( ) ( )1113

4443

13

431234

13

434231

hhhhhhhh

hhhhhhhh

l

l

−+−−+−

=−−

=

−−

=

η

η

1144 hh ∆>∆

118

Impianti a vaporeCondensatore

• 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

119

Impianti a vaporeCondensatore

• CondensatoreIl 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

120

Impianti a vaporeCondensatore

121

CondensatoreBilancio termico

• Il flusso termico che interessa il condensatore è:

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:

con S superficie totale di scambio termico e α coefficiente di scambio• E deve essere ceduto all’acqua refrigerante:

con c calore specifico dell’acqua (c=4.186 kJ/kgK)

44 xrmQ vcond && =

( )iua TTcm −&

)( acquavap TTS −α

122

CondensatoreBilancio termico

• Il bilancio termico del condensatore mette in evidenza il quantitativo di acqua necessario per soddisfare le esigenze del condensatore:

( )iuv

a

TTcxr

mm

−= 44

&

&

123

Condensatoreimpatto 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

124

Torri di Raffreddamento

125

Condensatoreimpatto 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

126

Potenza di un impianto a vapore

• Calcolo della potenza di un Impianto a Vapore

• Consumo specifico di vapore

• Consumo specifico di combustibile

( ) ( )( )

( )( )

( ) mviv

i

lic

vb

milbicgiciv

hhmP

hhhh

hhhh

Hmhhm

HmHmP

η

η

ηη

ηηηηη

43

43

43

13

4313

′

′

−=

−−

=

−−

=−

=

==

&

&

&

&&

( ) kWhkg

hhPmc vapore

miv

vvapores

/35.21

43

÷≅−

==′ η

&

kWhkg

HPm bustibilec

giiv

c /33.02.01 om÷≅=η

&

127

Condensatore:Impatto ambientale

• Richiesta d’acqua refrigerante

• Impianto di potenza 1000 MW:

terefrigeranacqua /000.125/250050/2500/105.2

/250/1025.06

6

hthtmhthkgm

hthkgm

conda

v

c

=⋅==⋅=

=⋅=

&

&

&

( ) vapore

acqua

iuv

a

kgkg

TTcxr

mm 50

10186.495.210044 ≅⋅⋅

=−

=&

&

128

• Rigenerazione

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

ottimali, su un fluido bifase.

Impianti a vaporeaumento del rendimento

IIIIII

IIIIIIIIIIIIl QQQ

QQQ′+′+′

′+′+′=

ηηηη IIIIII ηηη <<

129

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 inoltre una diminuzione del calore fornito alla sorgente a bassa temperatura

IIIII

IIIIIIIIIIl QQ

QQ′+′

′+′=

ηηη

130

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 spillamentoSi 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.

131

Rigenerazionecalcolo del rendimento

• Impianto rigenerativoLa rappresentazione del ciclo non può essere effettuata sul piano T-s perché la quantità di fluido che evolve nel ciclo èdifferente

• Il rendimento del ciclo di Hirn con (1+Me) kg di fluido evolvente}

• IL rendimento del ciclo rigenerativo è

poiché:GV

T ∼

( )( )( )( )

( )( )13

43

13

43

11

hhhh

hhMhhM

e

elHIRN −

−=

−+−+

=η

( ) ( )( )( )re

eRl hhM

hhMhh

23

53431 1 −+

−+−==η

5122

1215 ))(1()(hMhhMh

hhMhhM

erer

ree

−−=−−−+=−

1+Me 3

5 4Me

1

132

Rigenerazionecalcolo del rendimento

• Sostituendo si ottiene la seguente espressione:

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:

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

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )5313

5343

5133

53431 hhMhh

hhMhhhMhhMhhhMhh

e

e

ee

eRl −+−

−+−=

−−+−+−

==η

( ) ( )( ) ( )

( )( ) Hirn

e

eRl hh

hhhhMhhhhMhh ηη =

−−

>−+−−+−

==13

43

5313

53431

133

Rigenerazione TermicaSpillamenti 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”

134

Rigenerazione TermicaDegasatore

• 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 incondensabilihanno una solubilità minima nell’acqua

gas

vapore

acqua

acquapreriscaldata

135

RigenerazioneLimiti di potenza

• La presenza di una linea rigenerativa consente di ottenere, a pari potenza dell’impianto, un condensatore di minori dimensioni:

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.

*.

1hmhmP cond

spilln

itiiturbina ∆=∆= ∑

=

&& η

136

Schema di Impianto a vapore

137

Impianto a vapore

138

Impianti a vapore