Cicli a Gas PDF

(III In:L: ILE;\# Rispetto ai cicli a vapore, sono impianti molto più piccoli e compatti (alta densità di potenza). Il ciclo è inoltre a combustione interna: i prodotti della combustione sono direttamente i fluidi di lavoro che vanno direttamente nella turbina, ma non posso usare combustibili qu...

(III In:L: ILE;\# Rispetto ai cicli a vapore, sono impianti molto più piccoli e compatti (alta densità di potenza). Il ciclo è inoltre a combustione interna: i prodotti della combustione sono direttamente i fluidi di lavoro che vanno direttamente nella turbina, ma non posso usare combustibili qualunque come negli impianti a vapore. CICLI A GAS rendimento ) page72image97002224page72image96993696page72image97000560 \< 4ftp.tmem ciclo d i Carnot combustione T n-;⇒ , \-\-\-\-\-- page72image82855568page72image82855792 , \| La combustione interna permette il raffreddamento dall'esterno e di raggiungere temperature molto più elevate rispetto al ciclo a vapore. Mentre il ciclo a vapore si discosta impiantisticamente dal ciclo Rankine, il ciclo a gas reale non si discosta più di tanto dal ciclo Joule-Brayton: anzi è ancora più semplice rispetto al ciclo teorico dal punto di vista impiantistico.  compressore it -4 \' alternatore \"\"% \-\-- taà !\ s page72image97000976page72image97002432 T n CICLO IDEALE taw è pmax Rispetto al ciclo a vapore rende meno nonostante sia possibile raggiungere delle temperature più elevate per ragioni termodinamiche (è molto diverso rispetto al ciclo ideale di Carnot contrariamente al ciclo Rankine che era molto più simile). Nel caso ideale si hanno due pressioni, un lavoro entrante dal compressore, un lavoro uscente dalla turbina, un calore entrante dal combustore ed un calore uscente (perso allo scarico dei fumi). page72image82857360page72image96970288 1 f-a IVQOUT pz-pa-pmaixotz-tfa-LYI.IE Pt=P4 = fmin rei valida. 5μ !!\ 4 ii\. wtàwc anofet-e-aa-e.IE?I=i- = :c \' MI? pressione \' \%:c page72image96966336page72image96966960 =1-§\ 7 beIIa addii : antine -\_ dat - Wt → WT- We - Qin- Qout C IC LO RENDIMENTO d i u n CICLO A GAS IDEALE Abbiamo trovato che a parità di rapporto di compressione B la temperatura massima non ha influenza sul rendimento in un ciclo a gas ideale (perché le due isobare sono le stesse). page72image96967584 T1↳\ Idealmente A e B hanno lo stesso rendimento. page72image82859264 ÉIJ page72image96966544 Nei cicli a gas!un altro importante parametro è il lavoro specifico definito come il rapporto tra la potenza netta e la portata di aria aspirata del compressore. Ci dà informazioni sulle dimensioni poiché a parità di densità e volume specifico la portata è proporzionale all'aria quindi aumentando il lavoro specifico diminuiscono le dimensioni: l'impianto sarà più compatto e leggero. indaffarata- p-9cplts-tzt.li- potete (È- È)=L- Poletti (FI- po) page73image97127888 ↳ pece \[Èef. LVSA page73image97127472 ↳pece page73image97127056 \%::Lse 13=1 Ovvero prax= pmw 1.2 dalciclo è nulla ti 1 I page73image97126640page73image97130800 \"\"\ ÷\" :÷÷÷÷÷÷ page73image82922560page73image97133504 L'aria per il raffreddamento della pala è prelevata dal compressore: di fatto è una perdita perché è una parte di portata che non va nel combustore, dall'altro lato però permette di raggiungere temperature più elevate in modo da ottenere rendimenti anche del 40%. ⇒ 5900°C ÷:\*. page73image97133920page73image97134336 Il lavoro specifico a parità di rapporto di compressione dipende dalla temperatura massima (il rendimento no). Infatti le curve variano al variare della temperatura massima: è il caso ideale.  Nel caso reale ho più perdite: di massa, di calore, di pressione, allo scarico di pressione, di aspirazione. Nel ciclo reale invece il lavoro specifico funziona allo stesso modo (dipende dalla temperatura massima), ed anche il rendimento dipenderà dalla temperatura massima: non segue più la legge vista in precedenza ma si ha che all'aumentare della temperatura massima anche il rendimento aumenterà. Ecco perché in tali impianti si cerca di raggiungere la temperatura più alta possibile. Nel ciclo reale é inoltre richiesta una portata per il raffreddamento delle pale (che raggiungono temperature elevate perché investite da fluido ad alta temperatura in uscita dal combustore: la pala resiste a 900 °C massimo, ma è investita da fluido a 1700 °C, ecco perché serve il flusso freddo per non fondere le pale). page73image97135168page73image97135584page73image97136000page73image97136416page73image97136832page73image97137248page73image97137664  I cicli a gas essendo più piccoli e compatti rispetto al ciclo a vapore costano meno, ma i cicli a vapore sono i più diffusi perché essendo a combustione esterna possono bruciare più combustibile. A livello pratico servono sia i cicli a gas che i cicli a vapore per garantire l'equilibrio della rete. Il ciclo a vapore è più grande quindi ha più inerzia e non è perciò in grado di variare rapidamente la potenza prodotta (richiede un certo tempo); il ciclo gas invece è in grado di modulare rapidamente la potenza prodotta poiché essendo più piccolo ha meno inerzia e quindi permette di ristabilire l'equilibrio della rete: sono usati come impianti di riserva. page74image97186608page74image97189520page74image97189104page74image97189312page74image83001456page74image97024640page74image97025472page74image97025680page74image97023808 page75image82953312 È possibile aumentare il rendimento del ciclo a gas con opportune modifiche che però mi complicano il ciclo: perdo la sua peculiarità che era la semplicità. Possiamo ridurre il calore entrante oppure ridurre il lavoro del compressore. \|=Wt Q IN Per diminuire il calore entrante eseguiamo un ciclo rigenerativo: usiamo parte del calore dei gas in uscita per preriscaldare il gas in modo da dover scaldare di meno e usare meno combustibile. ÷ Questa soluzione non è tuttavia geniale per due motivi:\ 1) lo scambiatore aggiunto è tipo gas-gas (aria-aria) quindi è costoso, ingombrante e delicato;\ 2) non recupero molto calore perché al massimo posso raffreddare fino al punto due che comunque è ancora a temperatura abbastanza elevata (l'aria in uscita del compressore è calda).\ La rigenerazione è concettualmente possibile, ma poco conveniente. Per diminuire il lavoro del compressore eseguiamo una compressione interrefrigerata: non eseguiamo un'unica compressione, ma la eseguo in due stadi in modo da dover comprimere un fluido più freddo, che quindi richiede meno lavoro per essere compresso (interrompo a metà la compressione, raffreddo e poi completo la compressione). È come se al ciclo originale A ne aggiungessi un altro B. \'la = Se valutiamo i cicli A e B separati notiamo che il rendimento è una media pesata del rendimento di A e di B e poiché il rendimento di B è maggiore rispetto a quello di A, il rendimento ideale diminuisce. Il lavoro specifico invece aumenta. Nella realtà però il rendimento migliora perché c'é la portata di aria fredda \%\ il È diventa a⇒ In questo caso il lavoro del compressore diminuisce, ma il calore in entrata aumenta quindi come varia il rendimento? che è indirizzata verso la turbina e consente il raffreddamento delle pale del ↳L\*à!%T: compressore. Un altro modo per aumentare il rendimento è la ricombustione: non divido la compressione, ma l'espansione eseguendo una combustione aggiuntiva. La ricombustione aumenta il lavoro specifico e diminuisce il rendimento per motivi simili a quelli visti in precedenza (aggiungiamo un ciclo con rendimento inferiore all'altro). Inoltre richiede una portata di aria per il raffreddamento delle pale perché ho 2 punti ad alta temperatura (punti rossi) dal punto di vista pratico non porta alcun vantaggio. L'unico vantaggio é se la usassi in un ciclo combinato (alimento la caldaia del ciclo a vapore con i fumi uscenti dalla turbina del ciclo a gas) perché permette di evitare l'utilizzo di temperature troppo elevate e quindi di contenere le emissioni (uso meno combustibile). a ÷:... I page76image32573264page76image32581376page76image32581584 *CICLI COMBINATI* I cicli combinati sono dati dall'unione del ciclo a vapore più il ciclo a gas. Consentono di ottenere rendimenti superiori al 60%. I cicli combinati hanno tolto il ruolo monopolistico delle centrali a vapore. Il combustibile è gas naturale che alimenta la turbina: non c'è la caldaia che brucia combustibile. page80image97182448page80image97179536page80image97181200 TÈ✓ t.I\#T?efw:z:i:u. ←DÌ- pompa T.ua\#re Nella caldaia i fumi sono raffreddati in modo isobaro fino a raggiungere la temperatura ambiente. Abbiamo bisogno di un ciclo che permetta di recuperare dai fumi il massimo calore: in generale però non riusciamo a recuperare tutto il calore disponibile dei fumi che è dato da ÷ Questo perché difficilmente riesco a raffreddare i fumi fino a temperatura ambiente (inoltre se raffreddassi fino a temperatura ambiente non potrei far fuoriuscire i fumi perché avrebbero la stessa temperatura dell'ambiente esterno quindi non avrei scambio terQmico). Di solito quindi si fa in modo che A.disp 7 calore i n entrata nel cielo (calore che riesco a recuperare? Usiamo quindi un parametro detto fattore di recupero il cui valore deve essere il più alto possibile. 1)Free= QNQ DISP Una volta recuperato una certa quantità di calore vogliamo che il ciclo converta tale calore in energia elettrica nel modo più efficiente possibile ¥ 2\) tfciclo= page80image83019744 netturbino a recupero, Il GVR rileva i fumi in uscita dalla turbina del ciclo a gas che sono ad alta temperatura (600 °C) e li usa per alimentare un ciclo a vapore. Abbiamo però un problema: ci domandiamo come possiamo recuperare il calore dei fumi in uscita dalla turbina nel modo più efficace. Per farlo dobbiamo progettare al meglio la caldaia. page80image96765776 ÷!Ì ; ÷. page80image96768688page80image96770352page80image96725360page80image96728688. page80image83022880 Abbiamo quindi questi due parametri da ottimizzare che possono non essere monotoni, cioè non è detto che seguono lo stesso andamento. I due parametri possono essere in competizione, non sono cioè direttamente proporzionali, ma quello che interessa è ottimizzare la combinazione dei due ovvero il così come detto rendimento di recupero. I Rec = Free - farlo = ¥7 ° = È Il ciclo da usare deve massimizzare il rendimento di recupero: usiamo un fluido in uno scambiatore di calore ideale, controcorrente rispetto al flusso dei fumi, il quale viene scaldato dai fumi. In questo modo recupero il calore dei fumi e successivamente con una turbina eseguo una espansione isoentalpica e con un condensatore cedo calore all'ambiente: è un ciclo a triangolo ed è ideale (ho un rendimento unitario e non ho irreversibilità perché tutte le trasformazioni che lo compongono sono ideali ovvero realizzate con componenti ideali). Se usassi un ciclo di Carnot avremmo un rendimento molto alto ma un fattore di recupero basso perché avrei raffreddamento solo di una parte. ÷: \*: 1- page81image166745584page81image166747456page81image166747040page81image166746624page81image82936032page81image82941632 ÷:÷:  ÷\ :p- Il rendimento del ciclo ideale è pari a: mia⇒. s TAMB page81image166751824 farlo = 1 -  È il meglio che possiamo ottenere a livello tecnico, a livello pratico però non è possibile realizzare un ciclo del genere perché, come per il ciclo di Carnot, non esiste un fluido che permette di realizzare con componenti semplici tale ciclo (nella realtà non potrei andare da 3 ad 1 perché comprimendo il fluido si scalda quindi da 3 andrei in alto a destra). Si usa quindi un ciclo a vapore: usiamo un ciclo Rankine saturo e valuto se rende bene (per semplicità approssimiamo tale ciclo con un ciclo di Carnot). T TMAX\ \~ ASB Se evapora a Tev ho due perdite: se raffreddo da temperatura massima a Tev, raffreddo meno di quanto potrei (butto via i fumi a temperatura ancora piuttosto elevata): ciò implica che stiamo sprecando calore ed abbiamo una perdita di entropia A S A. La perdita di entropia Asd dipende dal fatto che scambiamo calore tra due sorgenti a temperature diverse (maggiore è la differenza tra la T massima e Tev e maggiore è la perdita di entropia).\ Di fatto variando Tev facciamo variare anche A s a e D S B. Teb→ entità) page81image166752240page81image166752656page81image166753072page81image166753488page81image166754736 Recupero tutto il calore quindi il fattore di recupero è uguale a uno ma il rendimento del ciclo è pari a zero perché è un ciclo di Carnot tra due temperature coincidenti, quindi il rendimento di recupero è zero. page81image166755360page81image166755776page81image166739392 tenta \" Supponiamo di avere: , è il punto di ottimo : Ter, ott (in \[KJ) page82image166874992page82image166874576page82image166873744 free cicloamatore. \_- \'\ tambtmw TMAX TMAX= 500°C= 773K\ TMIN= TAMB = 15 e = 288K\ tfrec , ciclo a triangolo= farlo= 0,41 → perche\' per ciclo triangolare ideale E. 1 e yrec-ipa.cl Tev, ott= 472K free μ tff) {consideriamo il y del ciclo di Carnot, perché abbiamo approssimato il ciclo promicina a quella d i Carnot. Ne vale la pena di fare il ciclo a vapore? Quanto siamo lontani dal ciclo ideale triangolare? Notiamo che il ciclo a vapore rende meno (facciamo poco più della metà del limite teorico 0,41): dobbiamo avvicinare il ciclo di Carnot al ciclo triangolare. Al posto di fare 1 ciclo di Carnot ne facciamo infiniti. -0,24  , page82image166873328page82image166872912 Th tmax -Én; f. Alla fine la soluzione ottimale è realizzare un ciclo a vapore caratterizzato da 2/3 livelli di pressione ovvero 2/3 Tev ottimizzate: si possono quindi avere: 1 page82image166880400page82image166880816 \" A livello pratico non è possibile eseguire infiniti cicli: si fanno un numero congruo di cicli Rankine ottimizzati. Ovviamente maggiore è il numero di cicli e maggiore è il costo dell'impianto (dobbiamo valutare a livello economico se conviene). C'è un numero di cicli oltre il quale il maggiore rendimento dell'impianto non mi consente comunque di ripagare l'impianto stesso. s page82image166881232 - IMPIANTI A 2 LIVELLI - 7 2252% - IMPIANTI A 3 LIVELLI → NE 60% (m a più costosi) page82image166881856page82image166882272page82image166882688 a page82image166884144 Equivale a fare un ciclo con la retta per la temperatura massima in verticale quindi si ha il rendimento del ciclo diverso da zero, ma il fattore di recupero uguale a zero (non ho recuperato calore), quindi il rendimento di recupero è uguale a zero. page82image166884768page82image166885184  Una pompa comprime l'acqua fino alla pressione LP; nell'economizzatore a bassa pressione (ECO-LP) i fumi provenienti dal ciclo a gas preriscaldano l'acqua fino a saturazione. Nell'evaporatore a bassa pressione (EV-LP) l'acqua è fatta evaporare. L'evaporatore è costituito da un corpo cilindrico nel quale si ha bifase: l'acqua a bassa pressione scende ed è fatta evaporare dai fumi e tale vapore viene raccolto nella parte alta del cilindro). EVAPORATORE ⇒ Il vapore uscente dall'evaporatore entra poi nel surriscaldatore a bassa pressione (SH-LP) e si dirige in turbina. Da EV-LP preleviamo liquido a bassa pressione e con una pompa si aumenta la pressione. In questo modo il liquido segue poi un ciclo identico al precedente, ma ad alta pressione (in questo caso si passa attraverso delle fasi di surriscaldamento). Al termine del processo arriviamo in turbina dove arriva il vapore ad alta e bassa pressione. Il ciclo poi ricomincia. Rispetto al ciclo a vapore tradizionale, la turbina elabora una maggiore portata (nel ciclo a vapore tradizionale una parte è spillata prima di arrivare in turbina, quindi ne elaborava meno). È per questo che la turbina è dimensionata in modo diverso. Il condensatore invece è uguale (in genere ad aria è il più usato nei cicli combinati). Repowering: si tratta di ripotenziamento: è stato introdotto per poter usare i vecchi impianti a vapore a carbone. Si sfruttano tali impianti già presenti, ma obsoleti, per realizzare un ciclo combinato. Questo permette di aumentare il rendimento da 40% (del ciclo a vapore) a 60% (del ciclo combinato). Permette di ridurre l'impatto ambientale (come combustibile del ciclo a vapore uso gas e non più carbone).\ È facile da attuare: è sufficiente installare una turbina a gas (è facile da aggiungere perché è molto compatta e le dimensioni dell'impianto a vapore sono elevate). Inoltre potenziare l'impianto è più facilmente accettato dalla gente rispetto a costruire un nuovo impianto. page83image167011056page83image167011472page83image167011888page83image167012512page83image167012928 èun sistema a circolazione età: ÷ page83image167013344.me evapora per i fumi  ed è convogliata come vapore nella parte alta) page83image167013760page83image167014176page83image83308576page83image167015216page83image167015632page83image167016256page83image167016672page83image83305104page83image167017712page83image167018128 page84image167180928