Università degli Studi di PerugiaFacoltà di Ingegneria

Corsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica e per l’Ambiente e il Territorio

Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici

prof. ing. Francesco Asdrubalia.a. 2007/08

Impianti termoelettrici

IMPIANTI MOTORI TERMICISono tutte le installazioni fisse che utilizzano calore per produrre, mediante opportune

macchine convertitrici, energia meccanica.

Se quest’ultima viene trasformata, mediante alternatori, in energia elettrica, si parla di

IMPIANTI TERMOELETTRICI

fonti:

- calore prodotto da reazione chimiche di combustioni

- calore prodotto da reazioni di fissione nucleare

- entalpia di vapori endogeni

IMPIANTI di POTENZA

- di base: a vapore di tipo convenzionale, nucleari, geotermoelettrici

- di punta: turbine a gas, a vapore di piccola taglia (<100 MW), motori a c.i.

- intermedi (in regolazione lenta): turbine a gas, piccoli e medi impianti a vapore

- Sezione monoblocco- Taglie unitarie- Saturazione

Generatore di vapore

Turbine

Raffreddamento

RAFFREDDAMENTO DELLE CENTRALI TERMOELETTRICHE

La condensazione di 1 kg di vapore richiede la sottrazione di 600 kcal a 20°CLa quantità di acqua di raffreddamento m necessaria per ogni kg di vapore è data da:

iup TTmCq

iTTuCp

qm

per non innalzare sensibilmente l’isoterma inferiore del ciclo (e quindi per non penalizzare il rendimento):

CTTu i 10

quindi

kgC

Ckg

kcalkcal

m 6010

1600

occorrono 60 l di acqua per far condensare 1 kg di vapore

CCkg

kcalhkcalx

TCp

QG

10

1/1029,1 9

2

Q2 = 1500 MWtQ1 = 2500 MWt

L = 1000 MWe

ESEMPIO: centrale da 1000 MWe

η = 0.41MW = 860 x 103 kcal/hQ2 = 1500 x 860 x 103 kcal/h = 1,29 x 109 kcal/h

Q2 = G Cp T

= 1,29x108 kg/h = 129 x 106 l/h

la portata ottenuta è dell’ordine di grandezza della portata media annua del fiume Tevere

Inquinamento dell’aria

Centrali termoelettriche di punta

Turbine a gas

• Versatilità

• Brevità di realizzazione

• Repowering/sottoposizione

• Rendimenti

• Combustibili

Motori a c.i.

• Limite per la potenza unitaria (1,5-2 MW a cilindro, max 40 MW)

• Modularità costruttiva

• Rendimenti/effetto di scala

Rendimento globale

qHi

Le Rendimento globale

Le = lavoro elettrico utileQ = quantità di combustibile corrispondente consumataHi = p.c.i. del combustibile

embli i = ideale (gas perfetto)l = limite (fluido reale)b = combustionem = meccanicoe = elettricoq’ = consumo specifico di combustibile per ottenere

KWhLe 1

iHq

KWh

'

1

fissato il combustibile, η e q’ esprimono lo stesso concetto'

cos

q

t

RENDIMENTO GLOBALERENDIMENTO GLOBALE 44 ÷ 45 %44 ÷ 45 % DI PROGETTODI PROGETTOIMP. A VAPOREIMP. A VAPORE <40 %<40 % REALEREALETURBINA A GAS TURBINA A GAS < 35%< 35%NUCLEARENUCLEARE 32 ÷ 33 %32 ÷ 33 %RENDIMENTO FINALERENDIMENTO FINALE 30% 30%

25% 25% marcata comp. Nuclearemarcata comp. Nucleare 28% 28% per i calcoliper i calcoli

Legame tra η e Q2

1

21Q

Q

1Q

Le

12 )1( QQ Le

Q 1

LeQ 12

1

12

LeQdifferenziando rispetto a η

ad un miglioramento di η corrisponde una diminuzione di Q2

poiché Q2 è proporzionale a Le, ciò è tanto più grande quanto maggiore Le : conviene migliorare η soprattutto nei

grandi impianti

poiché a denominatore c’è η2, la diminuzione di Q2 è via via minore quanto è maggiore il valore di η di partenza

22 dL

dQe

oltre un certo valore di η è inutile perfezionare gli impianti

Q2

η

Cogenerazione

RENDIMENTO EXERGETICO

definizione “fisica”

confronto tra le quantità exergetiche in uscita e quelle in ingresso.

definizione “utilitaristica”

confronto tra la quantità exergetica che caratterizza il processo (lo

scopo del processo) e la diminuzione di exergia delle risorse

impiegate (perdita exergetica)

CICLO DIESEL

BCp

ADv

TT

TT

Q

Q

11

1

2

BC

AD

TT

TT

K

1

1

OC

Cex

TT

T

TA = 293 KTB = 886 KTC = 2100 KTD = 978 K

597.0

694.0ex

CICLO OTTO

1

1

2

1 QT

T

L

W

W

C

O

ex

OC

Cex

TT

T

OC

C

BC

ADex

TT

T

TT

TT1

OC

C

KexTT

T1

11

K = 1.4

= 8TC = 3000 K

TO = 300 K

565.0628.0ex

CICLO BRAYTON

Oh

h

BC

ADex TT

T

TT

TT1

KTh 900 è notevolmente inferiore a la Tmax

dei cicli Otto e Diesel

η = 0.327 ηex = 0.490

CICLO RANKINE – HIRN

1 SURRISCALDAMENTO1 SURRISCALDAMENTO

353.03031230

1230266,0

Of

fex TT

T

Tg = 200 °C

MWPu 20h1 = 2 KJ/kg

h2 = 334 KJ/kg

h3 = 1110 KJ/kg

h7 = 3323 KJ/kg

h8 = 2260 KJ/kg

ma = 96.154 kg/s

mv = 11.72 kg/s KWhhmQ a 74615)3341110(15.96231

KWhhmvPv 12454)22603323(72.1187

435.074615

1245420000

1

Q

PP vn

CICLO COMBINATO

TURBINA A GAS

Q1

2 SURRISCALDAMENTI2 SURRISCALDAMENTI

1

11

FGBE

ABHGFE

hhhh

hhhhhh

Oh

hex TT

T

Th = 1230 K TO = 303 K

= 0.375

497.03031230

1230375.0

ex

CICLO RANKINE – HIRN