87299 - SISTEMI ENERGETICI T

Conoscenze e abilità da conseguire

Studio dei gruppi turbogas a ciclo di Brayton. Ottimizzazione delle grandezze caratteristiche (rendimento e lavoro specifico) in funzione del rapporto di compressione e della temperatura massima. Gruppi turbogas bialbero. Accoppiamento compressore turbina. Regolazione e gestione dei gruppi turbogas. Impianti a vapore con surriscaldamento, risurriscaldamento e rigenerativi. Ottimizzazione termodinamica di rendimento e lavoro in funzione delle grandezze caratteristiche di funzionamento. Regolazione dei gruppi a vapore. Studio di gruppi combinati: grandezze di uso comune, principali tipologie di impianti. Ottimizzazione termoeconomica di gruppi combinati. Dimensionamento del bottomer per diversi livelli di pressione per assegnata taglia di turbina a gas. Utilizzo di codici di calcolo per la valutazione delle prestazioni di gruppi a ciclo combinato gas-vapore.

Contenuti

MODULO I

Introduzione e richiami di termodinamica

Combustione

• Le reazioni stechiometriche di combustione, calcolo della portata in massa di ossigeno stechiometrico e di aria stechiometrica, esempio numerico per il metano e l’idrogeno.
• Definizione di eccesso d'aria, considerazioni sul legame tra combustibile e valore ottimale dell'eccesso d’aria, il rendimento di combustione e il suo andamento in funzione dell'eccesso d'aria e della tipologia di combustibile.
• Definizione di potere calorifico, differenza tra potere calorifico superiore e potere calorifico inferiore, calcolo del potere calorifico come media pesata, l’energia per unità di volume, confronto numerico tra idrogeno e metano.
• Bilancio energetico in camera di combustione e calcolo della temperatura media di combustione. Influenza dell’eccesso d’aria, del potere calorifico, della superficie irraggiata e dell’entalpia dei reagenti sulla temperatura media di combustione.

Turbogas

• Il ciclo Brayton ideale: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e di espansione, del lavoro utile, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico. Espressione del lavoro, del calore e del rendimento in funzione del rapporto di compressione. La temperatura di fine compressione e di fine espansione. Il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento.
• Il ciclo Brayton reale: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e di espansione, del lavoro utile, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico. Espressione del lavoro, del calore e del rendimento in funzione del rapporto di compressione.
• Il lavoro reale, politropico ed isoentropico in una trasformazione di compressione e di espansione, definizione di rendimento politropico ed isoentropico e relativo andamento in funzione del rapporto di compressione e di espansione. La temperatura di fine compressione e di fine espansione in funzione del rendimento politropico. Il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento.
• Il bilancio energetico e il rendimento della camera di combustione di un turbogas, le perdite per incombusti, le dispersioni di calore, andamento del rendimento in funzione dell’eccesso d’aria. Schema della camera di combustione, definizione di aria primaria e secondaria. Calcolo del rapporto aria/combustibile e dell’eccesso d’aria in un turbogas.
• Il rendimento totale del gruppo turbogas in funzione dei rendimenti termodinamico, organico, ausiliari, camera di combustione.

Gruppi a vapore

• Il ciclo Rankine: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto con il ciclo turbogas.
• Il condensatore e gli effetti dell'abbassamento della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo termodinamico. Il diagramma di scambio termico nel condensatore e considerazioni sulla minima pressione di condensazione. Il ruolo del degassatore in un ciclo a condensazione.
• Il ciclo di Hirn: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Rankine e il ciclo Hirn e considerazioni sull’uso del surriscaldamento per superare i limiti del ciclo di Rankine.
• Il ciclo risurriscaldato: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Hirn e il ciclo e considerazioni sull’uso del ri-surriscaldamento per superare i limiti del ciclo di Hirn. Andamento del rendimento e del titolo allo scarico della turbina a vapore al variare della pressione di surriscaldamento.
• Il ciclo a vapore ad uno spillamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, calcolo della portata di spillamento. Confronto tra il ciclo a vapore con e senza spillamenti in termini di lavoro, calore e rendimento. Definizione di grado di rigenerazione e andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione.
• Il ciclo a vapore a tre spillamenti con ri-surriscaldamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione della potenza prodotta dalla turbina, della potenza introdotta in caldaia, della potenza scaricata nel condensatore, bilanci energetici negli scambiatori rigenerativi e nel degassatore, considerazioni sulla linea di rigenerazione e sull'utilizzo di scambiatori a superficie o a miscela. Andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione nel caso di più spillamenti.

Generatore di vapore

• Caldaia ad irraggiamento: schema della macchina, disposizione dei fasci tubieri in camera di combustione e nella zona convettiva e relativo diagramma di scambio termico. Considerazioni sulla posizione della fiamma in camera di combustione e la sua influenza sulla produzione di portata di vapore e sulla temperatura massima del vapore.
• Il carico termico e il suo legame con la temperatura media di combustione e con il tempo minimo di permanenza del combustibile in camera di combustione.
• Il problema della rugiada acida: la miscela acqua e acido solforico e la diversa composizione del vapore e della condensa nei prodotti di combustione di un combustibile contenente zolfo, la temperatura di rugiada.

Cicli combinati gas/vapore

• Ciclo combinato ad un livello di pressione: schema dell’impianto, diagramma T-s, espressione della potenza scaricata dal turbogas e di quella recuperata dalla caldaia a recupero, il bilancio nell'economizzatore, nel vaporizzatore e nel surriscaldatore, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. Espressione del rendimento totale di un ciclo combinato in funzione del rendimento del turbogas, dell’efficienza della caldaia a recupero e del rendimento del ciclo a vapore.
• Ottimizzazione del ciclo a vapore in un ciclo combinato: il diagramma di scambio temperatura-entalpia, la scelta della pressione di vaporizzazione, della pressione di condensazione, considerazioni sul ciclo a vapore e sull’uso degli spillamenti. La post-combustione e il suo legame con la temperatura di scarico dei fumi e con la produzione di vapore.
• Ciclo combinato a due livelli di pressione: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma temperatura-entropia, espressione della potenza prodotta ed introdotta, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero.

MODULO II

Esercitazioni numeriche sui gruppi turbogas sui gruppi a vapore e sui cicli combinati gas-vapore.

Approfondimenti sulle Turbomacchine.

• Equazioni del moto dei fluidi per condotti fissi. Le grandezze totali e la velocità del suono, regimi di moto. L'andamento delle aree di passaggio attraverso un condotto di portata assegnata a seconda del regime di moto: equazione di Hugoniot. Condotto convergente e convergente divergente. Equazione di Eulero per uno stadio. Equazione alle differenze di energia cinetica..

• Lo stadio ad azione: i triangoli di velocità, il lavoro massimo, rappresentazione degli stati fisici ingresso/uscita statore/rotore sul diagramma entalpico. Rendimento total to static. Lo stadio a reazione delle turbine assiali; triangoli di velocità, lavoro massimo e relativi triangoli di velocità. Rendimento toal to total stadio a reazione. Confronto tra le perdite dello stadio ad azione e quelle dello stadio a reazione.
• Schema e principio di funzionamento di una turbina di De Laval ad azione semplice. Limiti della turbina di De Laval relativi al salto entalpico massimo smaltibile.
• Turbina a due salti di velocità, schema e principio di funzionamento. Valutazione del lavoro e confronto con turbina ad azione semplice.
• Turbina a salti di pressione; schema e principio di funzionamento. Rendimento total to static e fattore di recupero.
• Turbina a reazione; schema e principio di funzionamento.

 

Testi/Bibliografia

1. Appunti di lezione
2. Dispense integrative rese disponibili sulla piattaforma Virtuale dell'Ateneo di Bologna, https://virtuale.unibo.it/
3. Testi: " Sistemi Energetici e Macchine a Fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi A. Peretto-Pitagora Editore.

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula. La frequenza è consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni ma non incide sul processo di valutazione finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento controlla la qualità del conseguimento degli obbiettivi formativi del corso con particolare riguardo a:

1. Conoscenza dei principi termodinamici applicati alla conversione di energia o al trasferimento di energia nelle macchine a fluido.

2. Conoscenza dei principi funzionali ed operativi e dei campi di applicazione delle macchine a fluido trattate

3. Accuratezza e rigore nella derivazione di principi o relazioni con particolare attenzione nella chiarezza di esposizione e definizione di obiettivi, ipotesi e risultati.

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale in cui sonotipicamente sottoposte allo studente due domande. Lo studente è chiamato ad esporre concetti, dimostrazioni e principi funzionali delle macchine integrandoli con diagrammi termodinamici e di layout delle stesse.

La votazione è espressa in trentesimi: la votazione minima è pari a 18/30, al votazione massima è pari a 30/30 con lode. La votazione minima per il superamento dell'esame viene assegnata se è verificata la conoscenza di tutti gli argomenti oggetto di verifica e non sono presenti gravi lacune inerenti, ad esempio, conoscenze fisiche e termodinamiche di base, conoscenza dei principi minimi funzionali di una macchina o dei diagrammi relativi al ciclo operativo, ecc.).

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite piattaforma VIRTUALE

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lisa Branchini