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
