37402 - SISTEMI ENERGETICI AVANZATI E COGENERAZIONE M

Conoscenze e abilità da conseguire

Obiettivo dell'insegnamento è lo studio dei gruppi cogenerativi (gruppi cogenerativo con TG a recupero semplice, a ciclo combinato, motori a combustione interna, gruppo cogenerativo a vapore in contropressione e in derivazione.

Contenuti

Turbine a gas: approfondimenti e varianti al ciclo semplice

Approfondimenti sulle turbine a gas : cenni al mercato delle turbine a gas di derivazione aeronautica e heavy-duty, la condizione di massimo lavoro e di massimo rendimento, il piano lavoro specifico – rendimento, scelta del rapporto di compressione ottimale.

Perdite nelle turbina: strato limite, carichi aerodinamici, energia cinetica allo scarico. Le prestazioni in fuori progetto del compressore e della turbina, le mappe caratteristiche, la portata e la velocità ridotta. Accoppiamento compressore/turbina.  La regolazione della potenza di un gruppo turbogas: il turbogas monoalbero, la soulzione a due alberi con geometria fissa.

 

Raffreddamento turbine a gas :

Influenza della temperatura massima in un cilo bryton semplice. L'espansore come elemento più critico: deformazione plastica, sollecitazioni meccaniche, fenomeni di ossidazione, corrosione ed erosione. Il parametro di Larson Miller per correlare la temperatura massima, le ore di funzionamento e lo stato tensionale di un dato materiale. L'utilizzo di materiali non metallici, i processi di solidificazione (direzionale e monocristallina) e il Coating (TBC) con materiale ceramico. Definizioni di COT, TIT e TITISO. I sistemi di raffreddamento: circuito chiuso e circuito aperto. Il circuito chiuso con aria e/o vapore, vantaggi e svantaggi ed applicazioni su macchine commerciali. Il cicrcuito aperto: convezione, impingement, film, traspirazione. Compatibilità della pressione del fluido refrigerante. L'effetto del raffreddamento a cuircuito aperto sul rendimento del ciclo.

Calcolo della portata di raffreddamento nel caso di un circuito aperto convettivo e a film: l'efficienza interna di scambio, la temperatura adiabatica della pala, il numero di Stanton, l'efficienza del sistema di raffreddamento, l'efficienza del film. Esempio numerico del calcolo della portata. I compressori dinamici:  differenza tra un compressore assiale ed uno assila, i triangoli di velocità, i limiti alla portata in massa aspirata da un compressore assiale e centrifugo e limiti alla potenza di un turbogas.

 

Off design  di un turbogas : La regolazione della potenza di un gruppo turbogas: i due alberi con geometria variabile (VNGV), e il monoalbero con VIGV.  Le riduzione di potenza causata dalle perdite di pressione all'ingresso del compressore. La perdita di lavoro causata dalle perdite di carico allo scarico della turbina.Turbogas con recupero di calore: diagramma TS, schema,

 

Turbogas a ciclo complesso :

Gruppo turbogas con intercooler: layout, descrizione e diagramma T-s. Condizione di massimo rendimento termodinamico per valori inferiori alla condizione di massimo lavoro. Vantaggi e svantaggi del ciclo con intercooler. Applicazioni commerciali: il caso della LMS100, architettura, dati della macchina, configurazione tri-albero, considerazioni in merito al rapporto di compressione totale e alla TIT.

Gruppo turbogas con reheat: layout, descrizione e diagramma T-s. Espressione del lavoro di turbina in caso con reheat e confronto rispetto al ciclo semplice. Valutazione del rapporto di espansione intermedio per massimizzare il lavoro di turbina. Considerazioni in merito al rendimento termodinamico nel caso di rehat rispetto al ciclo semplice. Espressione del rendimento come media pesata. Valutazione della non convenienza nel caso di cicli isoentropici. Valutazione della convenienza nel caso reale. Condizione di massimo rendimento termodinamico per valori inferiori alla condizione di massimo lavoro. Andamento del rendimento termodinamico in funzione del rapporto intermedio di espansione al variare del rendimento politropico. Vantaggi e svantaggi del ciclo con reheat. Applicazioni commerciali: GT24  e GT26, dati delle macchine e la vantaggiosa applicazione in cicli combinati.

Turbogas con recupero di calore: considerazioni sullo scambio termico, aspetti applicativi, il caso delle micro turbine a gas. Turbogas  con recupero di calore ed iniezione di acqua (RWI): considerazioni sullo scambio temico ideale (superficie infinita  capacità termiche uguali).Turbogas con compressione inter-refrigerata: schema,  lavoro e rendimento del ciclo ideale in confronto con il Brayton, lavoro e rendimento del ciclo realie rispetto al Brayton, esempi di applicazioni.

Altri cicli complessi: il cicloIC-R e il caso della RollsRoyce WR21, i ciclo IC-RH-R e il ciclo Ericsoon e il ciclo Stirling. Cicli misti: l'interstage water injection, la wet compressione, il ciclo STIG, caratteristiche, peculiarità e modifiche necessarie per la turbina. L'instabilità di un compressore analizzata attraverso il pompaggio di un circuito idraulico.

 

Impiego aeronautico del turbogas : potenza fornita al fluido, potenza e rendimento propulsivo, la spinta, la condizione di massima potenza propulsiva. La potenza propulsiva espressa per un turbofan, il grado di fan, la scelta del motore in funzione della velocità del velicolo. Modifiche ed interventi per la conversione di una turbina a gas per uso aeronautico in un sistema per la produzione industriale di potenza. Cenni sull'architettura della camera di combustione del turbogas.

 

Cogenerazione

 

Introduzione alla cogenerazione: il caso della cogenerazione toppinge bottoming. Prestazioni di un sistema cogenerativo: il rendimento elettrico, il rendimento termico  quello totale. L'indice di risparmio energetico (PES) ed il confronto con la produzione separata. Il piano rendimento elettrico - rendimento termico e le curve a rendimento totale e PES costante. L'evoluzione della normtiva sulla cogenerazione dal CIP6 alla 42/02.

Le nuove regole per la cogenerazione introdotte con la direttiva 2004/8/CE e con il DM 4 agosto 2011: i rendimenti di riferimento, l'elettricità da cogenerazine, l'energia netta e lorda, la cotabilizzazione sull'energia e non sulla potenza. I benefici per la cogenerazione: la priorità di dispacciamento, la defiscalizzazione del gas, i titoli di efficienza energetica, lo scambio sul posto e l'esenzione dai certificati verdi.

La cogenerazione con turbine a gas: la caldaia a recuper, l'uso del by-pass e della post-combustione, il piano potenza elettrica e termica e il rendimento elttrico - termico, cenni sulla trigenerazione.

Cogenereazione con turbine a vapore a contropressione e a spillamento: schemi, bilanci e considerazioni sulla regolazione. La cogenerazione con i cicli combinati gas/vapore. Il rendimento di secondo principio per valutare le prestazioni di un istema cogenerativo.

 

Repowering di gruppi a vapore

 

Considerazioni termodinamiche sull'utilizzo di turbine a gas come topper. Valutazione del rapporto tra taglia del turbogas e taglia del gruppo a vapore esistente. Tipologie di repowering: Hot Windbox, feed water, middle pressure e trasformazione in un ciclo combinato. Schemi, vantaggi e svantaggi di ciascuna configurazione. Feed Water, middle pressure e trasformazione in ciclo combinato: limitazioni sulla portata di vapore prodotta per rispettare i vincoli sulle turbomacchine, sul condensatore sull'alternatore. Considerazioni sul rendimento del gruppo ripotenziato e rendimento della generazione separata

 

Tecnologie per la generazione distribuita

 

Distinzioni e caratteristiche della piccola e micro cogenerazione. Applicazioni in ambito civile residenziale Tecnologie consolidate: Motori a combustione interna, caratteristiche, il recupero di calore, tipologie di modelli e case costruttrici; micro turbine a gas: caratteristiche progettuali principali, l'importanza della rigenerazione sull'efficienza elettrica, il recupero di calore per microcogenerazione. Tecnologie disponibili Micro Organic Rankine cycle e i motori stirling. I vantaggi della combustione esterna, ORC- caratteristiche principali, ciclo termodinamico i vantaggi dell'utilizzo dei fluidi organici. Motori stirling: architettura, il recupero di calore e principali modelli sul mercato, applicazioni solari e a biogas. Le tecnologie prototipali: celle a combustibile e termofotovoltaico. Principio di funzionamento caratteristiche ed applicazioni. Il recupero di calore con FC e TPV.

 

 

Macchine idrauliche operatrici

 

Pompe centrifughe. Espressione della potenza trasferita al fluido, il concetto di prevalenza. Espressione dell'energia trasferita al fluido attraverso la girante (Equazione di Eulero). Tipologie di pale (avanti, indietro, radiali). Analisi del flusso in una pompa centrifuga puramente radiale: triangoli di velocità in ingresso e uscita. Espressione della prevalenza teorica in funzione della portata per pale in avanti all'indietro e radiali.

Definizione di prevalenza di una pompa centrifuga; andamento delle perdite e della prevalenza in funzione della portata elaborata. Legame tra prevalenza e incremento di pressione.
Il punto di funzionamento di una pompa centrifuga inserita in un circuito idraulico; pompe in serie ed in parallelo. Espressione del rendimento totale. Calcolo della prevalenza reale in condizioni di portata nulla. Calcolo della pressione all'aspirazione della pompa: il problema della cavitazione, la definizione dell' NPSH della pompa e dell'impianto, considerazioni sulle condizioni per le quali si verifica la cavitazione.
Il problema dell'adescamento.

Pompe volumetriche: tipologie, architettura di una pompa volumetrica alternativa. Principio di funzionamento, curva caratteristica teorica. Le fughe e la loro dipendenza dalla viscosità del fluido, dalla temperatura di funzionemento, dai giochi e dal delta di pressione. Curva caratteristica reale. Il rendimento totale come prodotto del rendimento volumetrico ed idro-meccanico.

 

 

Esercitazioni

 

Cicli turbogas complessi: layout e inizializzazione degli input e simulazione. Il ciclo con intercooler: individuazione del rapporto di compressione intermedio che minimizza il lavoro di compressione e che massimizza il rendimento. Ciclo Turbogas con reheat: individuazione del rapporto di espansione intermedio che massimizza il lavoro di turbina e che massimizza il rendimento. Ciclo turbogas con recupero: individuazione dello scambio termico ottimale per massimizzare le prestazioni della turbina a gas.

 

Ciclo combinato ad 1 livello di pressione : creazione del layout, inizializzazione degli input e simulazione di un ciclo combinato ad un livello di pressione da 70 MWe. Individuazione della pressione di evaporazione che massimizza le prestazioni del sistema. Diagramma T-Q della caldaia a recupero.

 

Ciclo combinato a 2 livelli di pressione cogenerativo: scelta delle pressioni di evaporazione e di spillamento al fine di massimizzare le prestazioni del sistema. Diagramma T-Q della caldaia a recupero. Diagramma T-Q dello scambiatore cogenerativo. Valutazione delle prestazioni cogenerative del sistema (PES, Elettricità da cogenerazione).

Testi/Bibliografia

'Sistemi Energetici e macchine a fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto

III Edizione – Pitagora Editore

 

'Sistemi energetici - complementi", M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto

I Edizione – Pitagora Editore

 

Dispense messe a disposizione dal docente

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

prova orale

relazione sulle esercitazioni svolte

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi

Consulta il sito web di Lisa Branchini