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Roberto Lensi 1. Complementi sui sistemi termici Pag. 33
Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Pisa
MOTORE DINAMICO A GASSistemi a combustione esterna o interna
Ciclo termodinamico ideale Joule (Brayton)
Schema d’impianto in circuito aperto Schema d’impianto in circuito aperto
Ciclo termodinamico ideale Holzwarth
Schema d’impianto in circuito chiuso Schema d’impianto in circuito chiuso
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D
Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano entalpicorappresentazione grafica del calore (Q) e del lavoro all’albero (L) scambiato
ipartimento di Energetica
Rendimento ideale del ciclo Joule (Brayton) infunzione del rapporto di compressione
rCiclo Joule (Brayton) ideale o limite, per rapporti
di compressione crescenti, a T1 e T3 costanti
Rendimento limite del ciclo Joule (Brayton) perdiversi valori di k
Università degli Studi di Pisa
Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite (1 2 3 4) eeale in assenza di cadute di pressione (1 2' 3 4')
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Proprietà dell’aria
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D
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Prestazioni energetiche
Rendimento ideale in funzione del rapporto di compressione
Lavoro massico utile in funzione del rapporto di compressione, per tre valori della temperaturamassima T3 [T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]
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Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre valori della temperatura massima[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]
Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo realeper tre coppie di valori dei rendimenti di compressore e turbina
[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]
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Rigenerazione termica
Schema d’impianto in circuito chiuso
Schema d’impianto in circuito aperto
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Dipartimento di Ener
Ciclo ideale e rigenerazione ideale
Ciclo ideale e rigenerazione reale
getica Università degli Studi di Pisa
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Rendimento in funzione del rapporto di compressione, per due valori di T3 con rigenerazione ideale[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]
Andamento di (T4-T2) all’aumentare del rapporto di compressione, per valori costanti di T1 e T3
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Rigenerazione nel caso di ciclo reale (con cadute di pressione trascurabili)
Rendimento reale in presenza di rigenerazione (tre valori dell’efficienza di rigenerazione R)e senza rigenerazione (R = 0), per due valori della temperatura massima T3
[T1 = 288 K; k =1,4; cp = 1,0 kJ/(kg K)]
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Ciclo reale e rigenerazione reale
Frazione del lavoro della turbina che viene richiesto dal compressore
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Compressione con interrefrigerazione
Espansione con interriscaldamento
Compressione in due stadi con refrigerazione intermedia
Espansione in due stadi con ricombustione intermedia
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Dipar
Turbogas
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Dipartimento di Energe
Turbogas di deri
Compressore di bacombustione anu
pressione, turbina a
vazione aeronautica LM 6000 per applicazioni industriali (General Electric)
ssa pressione (5 stadi) seguito dal corpo di alta pressione (14 stadi), camera dilare, turbina a gas di alta pressione (2 stadi) che aziona il compressore di alta gas di bassa pressione (5 stadi) che aziona il compressore di bassa pressione e
l’utilizzatore (non rappresentato in figura)
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Dipart
Processo di compressione
Processo di compressione: a) regione di controllo; b) diagramma di Grassmann
Trasformazioni di compressione: a) per T1>T0 nel piano (T-s); b) per T1=T0 nel piano (εph-h)
Compressori adiabatici: relazione tra rendimentoexergetico e rendimento isoentropico
Compressioni in due stadi con refrigerazioneintermedia per T1=T0 nel piano (εph-h)
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DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ
Sistema motore con turbina a gas
Distribuzione delle irreversibilità in un turbomotore a gas a combustione esterna
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Sistema motore con turbina a vapore
Distribuzione delle irreversibilità in un gruppo motore a vapore
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SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE
Diagramma entropico qualitativo per un sistema a ciclo combinato gas/vapore
Diagramma di Sankey per un sistema combinato gas/vapore tipico
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Caldaia a recupero di calore (HRSG)
Sistema combinato gas/vapore: ciclo sovrapposto a gas e ciclo sottoposto a vapore; diagramma delletemperature dei gas di scarico e del sistema acqua-vapore in un generatore di vapore a recupero di
calore (HRSG)
Generatore di vapore a recupero di caloreHRSG (Heat Recovery Steam Generator)
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Caldaia a recupero con bruciatori ausiliari1 ingresso gas combusti provenienti dalla turbina; 2 camera di collegamento; 3 bruciatori metano; 4alloggiamento per eventuali bruciatori gasolio; 5 schermo di tubi; 6 tubi ad U del surriscaldatore; 7
collettore acqua; 8 fascio di tubi evaporatori; 9 tubi ad U dell’economizzatore; 10 camino principale;11 collettore cilindrico acqua-vapore; 12 uscita dall’economizzatore; 13 uscita dal surriscaldatore; 14
muri d’acqua; 15 camino di by-pass; 16 serrande principali di deviazione gas combusti
Schema di caldaia a recupero di calore
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Schemi d’impianto
Rappresentazioni schematiche di impianti combinati gas/vaporea) senza ricombustione (unfired);b) con ricombustione (fired) mediante una seconda camera di combustione (B2);c) con ricombustione (fired) mediante HRSG con bruciatori ausiliari
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Prestazioni energetiche
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Soluzioni impiantistiche
Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG ad un livello di pressione e con spillamenti rigenerativi
1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 rigeneratore; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 caldaia arecupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico; 15 pompa di circolazione; 16
surriscaldatore
Caldaia a recupero a solo scambio convettivo ad un livello di pressionea) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature
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Dipartimento
1 comcondens
pompa di a15 pomp
Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG ad un livello di pressione e senza spillamenti rigenerativi
pressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6atore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa economizzatore bassa pressione; 9 degasatore; 10limento; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore; 13 evaporatore; 14 collettore cilindrico;a di circolazione; 16 surriscaldatore; 17 economizzatore bassa pressione; 18 separatore di
vapore
Caldaia a recupero a solo scambio convettivo a due livelli di pressionea) rappresentazione schematica; b) andamento delle temperature
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Rappresentazione schematica semplificata di un sistema combinato gas/vaporecon HRSG a due livelli di pressione e senza spillamenti rigenerativi
1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina a gas; 4 alternatore; 5 turbina a vapore; 6condensatore; 7 pompa di estrazione; 8 pompa di alimento circuito di bassa pressione; 9 degasatore; 10
pompa evaporatore per il degasatore; 11 caldaia a recupero; 12 economizzatore alta pressione; 13evaporatore alta pressione; 14 collettore cilindrico di alta pressione; 15 pompa di circolazione circuito
di bassa pressione; 16 surriscaldatore alta pressione; 17 collettore cilindrico di bassa pressione; 18economizzatore di bassa pressione; 19 evaporatore di bassa pressione; 20 pompa di alimento circuitodi alta pressione; 21 evaporatore per il degasatore; 22 preriscaldatore acqua; 23 pompa di circolazione
circuito alta pressione
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Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)
Feedwater Repowering: ripotenziamento con preriscaldamento dell’acqua di alimento1 generatore di vapore; 2 corpo di alta pressione della turbina a vapore; 3 corpo di media pressione adoppio flusso; 4 corpo di bassa pressione a doppio flusso; 5 alternatore; 6 condensatore; 7 pompa diestrazione; 8 rigeneratori di bassa pressione; 9 degasatore; 10 pompa di alimento; 11 rigeneratori di
alta pressione; 12 alternatore; 13 gruppo turbogas; 14 caldaia a recupero
GRUPPO A VAPORE
Potenza netta (MW) 150 225 2 • 305 630
Rendimento netto 0,380 0,385 0,398 0,403
GRUPPO A GAS
Potenza netta (MW) 26 37,5 116 116
Rendimento netto 0,285 0,314 0,327 0,327
GRUPPO COMBINATO
Potenza netta (MW) 175 262 725 745
Incremento della potenza (%) 16,6 16,4 18,8 18,2
Rendimento netto 0,386 0,393 0,406 0,411
Incremento del rendimento (%) 1,58 2,01 2,01 1,98
Esempi di Feedwater Repowering (Turbogas Nuovo Pignone)
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Heat Recovery Repowering: ripotenziamento con recupero dei gas di scarico del turbogas con HRSG1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore; 3 alternatore; 4 condensatore; 5 pompa di estrazione; 6
rigeneratore di bassa pressione; 7 degasatore; 8 pompa di alimento; 9 rigeneratore di alta pressione; 10alternatore; 11 gruppo turbogas; 12 caldaia a recupero (HRSG)
Boiler Repowering: ripotenziamento con postcombustione nel generatore di vapore (boiler)1 ingresso combustibile; 2 generatore di vapore; 3 alla turbina a vapore; 4 economizzatore; 5 camino;
6 ventilatore; 7 preriscaldatore d’aria; 8 gruppo turbogas; 9 camino di by-pass
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INDICE
Frontespizio ...................................................................................................................................................1IMPIANTO MOTORE A VAPORE.............................................................................................................2Diagramma di Sankey (bilancio di energia) ..................................................................................................5Diagramma di Grassmann (bilancio di exergia) ............................................................................................6Condensazione del vapore e determinazione della pressione bassa (PL).......................................................7Determinazione delle condizioni ottimali in caldaia .....................................................................................9Ciclo Hirn con risurriscaldamento del vapore .............................................................................................10Spillamenti di vapore...................................................................................................................................11Processo di combustione..............................................................................................................................16Irreversibilità di combustione ......................................................................................................................17Generatori di vapore ....................................................................................................................................19Motrici dinamiche (turbine).........................................................................................................................28MOTORE DINAMICO A GAS ..................................................................................................................33Sistemi a combustione esterna o interna......................................................................................................33Proprietà dell’aria ........................................................................................................................................35Prestazioni energetiche ................................................................................................................................37Rigenerazione termica .................................................................................................................................39Compressione con interrefrigerazione.........................................................................................................44Espansione con interriscaldamento..............................................................................................................44Turbogas ......................................................................................................................................................45Processo di compressione ............................................................................................................................48DISTRIBUZIONE DELLE IRREVERSIBILITÀ ......................................................................................49Sistema motore con turbina a gas ................................................................................................................49Sistema motore con turbina a vapore...........................................................................................................50SISTEMA MOTORE COMBINATO GAS/VAPORE...............................................................................51Caldaia a recupero di calore (HRSG) ..........................................................................................................52Schemi d’impianto.......................................................................................................................................54Prestazioni energetiche ................................................................................................................................55Soluzioni impiantistiche ..............................................................................................................................56Ripotenziamento di centrali termoelettriche a vapore (Repowering)..........................................................59Indice ...........................................................................................................................................................61