Turbine a gas – Modifiche del ciclo · Sezione di Macchine Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe:...

UNIVERSITA’ DI FIRENZEFacoltà di Ingegneria

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Dipartimento di Energetica “S.Stecco”Sezione di Macchine

Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA

Turbine a gas – Modifiche del ciclo� Versione: 1.00.03� Ultimo aggiornamento: 14 Aprile 2005� Realizzato da: C. Carcasci, B.Facchini, G. Manfrida

� Testi di Riferimento� Acton, Caputo, “Introduzione allo studio delle turbomacchine”, UTET

– Pp.454-463

� Stecco, S., “Impianti di Conversione Energetica”, Pitagora Editrice (BO)– Capitolo 2 - pp.214-245

� Caputo, C., “Gli impianti motori termici”, Ed. ESA– Pp.178-195, cap.

� Cohen, H., Rogers, C.F.C., Saravanamutoo, H.I.H., “Gas Turbine Theory”, 4th edition. Longman Group 1996


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Indice

� Argomenti� Rigenerazione� Interrefrigerazione� Post combustione (Reheat)� Ciclo Ericsson� Iniezione di acqua� Iniezione di vapore� Cicli Rigenerativi-Evaporativi


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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

� I gas combusti che lasciano la turbina devono avere una temperatura maggiore di quella dell’aria di fine compressione


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� 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 di 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 (4-E) e (2-B) risulta uguale ( Area (A2BC)=Area (DE4F)) S


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Rigenerazione – Ciclo ideale -3� Grado di rigenerazione è definito come rapporto

fra il calore recuperato e quello massimo recuperabile:

� 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� Sono giustificati da considerazioni di carattere economico

legate al contenimento delle superfici di scambio

( )( )2442

44

24

4

·

·

TTc

TTc

hhhh

Rp

EepE

−−

=−−=

S

dQ = Tds =

dh = cp dT

Gas perfetto

��

��


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� Rendimento del ciclo completamente rigenerato� Espressione del rendimento per R = 1

� T4 = TB e TE = T2

43

12

3

1

1

2

1,111

TTTT

TTTT

QQ

B

E

Rid −−−=

−−−=−=

=η

( )( )��

�� −��

��

�

−−=

−

−−=

−−−= −=

1

11

11

11

13

34

13

12

1, ββ

ββη

ε

ε

ε

ε

βτττ

εT

TT

TT

T

TT

Rid

��

�

�

��

�

�−=

= τβη

ε

11,Rid

S


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Rigenerazione – Ciclo ideale -5�Al crescere di β, il rendimento del ciclo rigenerato diminuisce

� Il rendimento massimo si ha per β=1 ed è pari a ηR=1=1-1/τ– Nel caso limite β=1 si ottiene il rendimento del ciclo di Carnot che evolve fra la

temperatura massima di ciclo T3 e la temperatura minima T1

– Il caso β=1 é un ciclo senza compressione, nè espansione (lavoro prodotto nullo), che si può completamente rigenerare

�Si ha convenienza a realizzarecicli rigenerati per TG con……

� Bassi rapporti di compressione� Elevate temperature massime

�Il lavoro specifico del ciclo ideale rigeneratonon varia rispetto al ciclo semplice

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.85

τ-ε=4-ετ-ε=3-ε

1-τ-ε γ=1.41 τ=3.0 (T

3=864.5K)

τ=4.0 (T3=1152.6K)

τ=5.0 (T3=1440.8K)

τ=6.0 (T3=1728.9K)

η R=1

β


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� Si confronta l’espressione del rendimento del ciclo ideale rigenerato (R=1) con quella del rendimento del ciclo semplice (ovvero del ciclo con R=0) (ηid=1-β-ε )

� I due rendimenti si eguagliano per

β=β*=τ1/(2ε)

– Per questo valore di β, T4 = T2 ed il ciclo Joule non risulta più rigenerabile

– Oltre tale rapporto di compressione latemperatura 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

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

τ1/2ε=6

1/2ε

τ1/2ε=4

1/2ε

γ=1.41 W τ=4.0 (T

3=1152.6K)

W τ=6.0 (T3=1728.9K)

ηR=0

ηR=1

τ=4.0 η

R=1 τ=6.0

Wu/c

pT1,

ηlog

10(β)

ηid=1-β-ε


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� Rendimento del ciclo rigenerato� Si riporta l'andamento del rendimento ideale del ciclo rigenerato a τ costante

in funzione di β in funzione di R (spesso compreso tra 0,6 e 0,8)� Per rapporti di compressione superiori a β*=τ1/(2ε), la rigenerazione risulta

impossibile e risulta più conveniente il ciclo semplice (R=0)

La curva del rendimento è molto “piatta” per β < β*


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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 effettivamentesfruttabile dalla turbina

– Diminuisce il lavoro utile (area del ciclo)


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β

Mappe di prestazioni dei turbogas nel ciclo rigenerato

� Le condizioni ottimali per il rendimento - a Tmaxcostante - vengono raggiunte per rapporti di compressione contenuti� Infatti il rendimento delle

turbine a gas a ciclo rigenerato aumenta al diminuire di ß

� 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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Casi applicativi -1

� La rigenerazione diminuisce la temperatura dei gas allo scarico e quindi la macchina con tale modifica non si presta all’introduzione di un ulteriore impianto in cascata (caso di 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

� Altre turbina a gas rigenerate sono generalmente di piccola taglia � Applicazioni per autotrazione� Applicazioni ferroviarie

� Un esempio degli anni 60 è riportato sotto


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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

� L’ideale sarebbe avere una compressione isoterma

� Si ha un aumento del lavoro specifico– Diminuisce nel complesso 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 pari al ciclo II

– Nel piano H/S, si può notare come il salto di entalpia della seconda compressione risulta minore del caso non interrefrigerato

» (h4-h3)<(h7-h2)

� La potenza aumenta anche nel caso del ciclo reale (anche considerando laperdita di pressione, che riduce l’effetto utile)

h

∆h34 ∆h

27


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Interrefrigerazione – ciclo Ideale -2� Il rendimento nel ciclo ideale e limite

diminuisce� Nel ciclo ideale si può constatare che il ciclo

interrefrigerato è costituito da due cicli Joule affiancati.

– Il primo evolve tra le pressione pA e pC» coincide col ciclo semplice senza

interrefrigerazione» Rendimento:

– Il secondo evolve tra le pressione pB e pC» Rendimento:

– Risulta che ηII<ηI (minor β)– Il rendimento del ciclo (media pesata tra i

rendimenti ηII,ηI con pesi i calori scambiati con la sorgente superiore) è inferiore a ηI

ε

η−

��

��

�−=

A

C1 p

p1

ε

η−

��

��

�−=

B

C2 p

p1


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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

S S

S S

8 4

9 7

=

=

T T

T T

8 3

9 2

=

=

CICLO (3472) = CICLO (8479)

12

D

C2 p

p1

ηη

ηε

<�

��

��

�−=

−

Il ciclo 2 reale equivale ad un ciclo ideale che evolve tra isobare più distanziate


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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 secondo compressore è di poco superiore a quella ambiente� Lo scambiatore di calore necessita di un fluido di raffreddamento a

temperatura ambiente (in genere acqua)


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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� Al di fuori dell’attuale

campo di interesse

β

Verso antiorario come per il per il ciclo semplice!


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Interrefrigerazione – Applicazioni� Le applicazioni più moderne

dell'interrefrigerazione prevedono l’adozione di un β β β 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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PostCombustione (“Reheat”)

� Per aumentare il lavoro utile si può aumentare il lavoro generato dalla turbina� 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 lavora con un

eccesso di aria complessivo elevato (α = 40÷60)

� Con la seconda iniezione di combustibile si innalza la temperatura dei gas a valori anche molto elevati nel caso della propulsione aeronautica, in quanto l’espansione successiva avviene in un organostatico (ugello propulsivo)

� Nel caso di applicazioni terrestri, la temperatura della seconda combustione risulta limitata a quella massima della prima combustioneT3 din quanto dopo la seconda combustione si ha una seconda turbina a gas


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Postcombustione – Reheat -1� Cresce 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� Nel caso ideale il ciclo con reheat è

costituito da due cicli Joule 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

� Il rendimento diminuisce anche nel ciclo reale

Ciclo II1

7

6

54

3

2

T

S


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Reheat- Postcombustione – considerazioni

� La realizzazione del reheat-postcombustione è facilitata (rispetto all’interrefrigerazione) dalla semplicità e compattezza dell'impianto

� 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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Postcombustione – curve di prestazione

� In questo caso rendimento e potenza specifica crescono sempre alcrescere di ß

β


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Postcombustione - Applicazioni

� GE F110-100 Afterburning� Militar Turbofan Engine

� ABB GT24/26� Heavy duty gas turbine with reheat� W=179.0MW, η=38.2%,

β=30, mexh=391kg/s, Texh=913K

� J79 Turbojet Engine with Afterburner � Militar Turbofan Engine


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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 comporetare 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


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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: è quindi certo l’aumento della potenza.

�comporta diminuzioni del rendimento� La quantità di calore assorbita dalla evaporazione è

molto alta per unità di massa.� Il raffreddamento evaporativo prima dell’ingresso in

camera di combustione diminuisce il valore medio della temperatura equivalente dello scambio termico superiore (aumentano le irreversibilità nella combustione)


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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 alimentato dai gas di scarico della turbina a gas

� 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, 4/6 MWe;� Kawasaki, 2/4 MWe�GE: LM1600-2500-5000; 20/45 Mwe

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