Laboratorio Simulatore

Escludendo le centrali idroelettriche, la maggior parte degli impianti di produzione di energia impiega un tipo di caldaia e una turbina a vapore. Un diagramma schematico di una semplice centrale a vapore è mostrato qui sotto:

Il vapore ad alta pressione lascia la caldaia ed entra nella turbina. Il vapore si espande nella turbina e fa un lavoro che permette alla turbina di azionare il generatore elettrico. Il vapore di scarico lascia la turbina ed entra nel condensatore dove il calore viene trasferito dal vapore all’acqua di raffreddamento. La pressione del condensato che esce dal condensatore viene aumentata nella pompa, permettendo così al condensato di fluire nella caldaia. Questo ciclo termodinamico è conosciuto come ciclo Rankine.

L’efficienza del ciclo Rankine

Come notato sopra, un po’ di calore viene sempre perso dal vapore all’acqua di raffreddamento. Inoltre, le pompe di alimentazione consumano energia, riducendo così la produzione netta di lavoro. L’efficienza del ciclo Rankine può quindi essere espressa come:

o

riferendoci al diagramma sopra e usando i valori di entalpia nel ciclo Rankine, possiamo scrivere:

Miglioramenti all’efficienza del ciclo Rankine

Effetto della pressione e della temperatura sul ciclo Rankine

Se la pressione di scarico scende da P4 a P4′ con la corrispondente diminuzione della temperatura alla quale il calore viene respinto nel condensatore il lavoro netto è aumentato di area 1-4-4′-1′-2′-2-1 (vedi diagramma sotto)

In modo simile, se il vapore è surriscaldato nella caldaia, è evidente che il lavoro è aumentato di area 3-3′-4′-4-3 (vedi diagramma sotto):

Il surriscaldamento del vapore avviene aumentando il tempo di esposizione del vapore ai gas di scarico. Il risultato del surriscaldamento è che per una data potenza, l’impianto che usa il vapore surriscaldato sarà di dimensioni più piccole di quello che usa il vapore saturo secco.

Il ciclo di riscaldamento

In precedenza abbiamo notato che l’efficienza del ciclo Rankine è aumentata dal surriscaldamento del vapore. Se si potessero trovare dei metalli che ci permettessero di raggiungere temperature più alte, il ciclo Rankine potrebbe essere più efficiente. Per migliorare l’efficienza, è stato sviluppato il ciclo di surriscaldamento che è mostrato schematicamente qui sotto:

In questo ciclo, il vapore viene espanso a una certa pressione intermedia nella turbina e viene poi riscaldato nella caldaia, dopo di che si espande nella turbina a bassa pressione fino alla pressione di scarico. Il ciclo Rankine con efficienza termica di riscaldamento può essere espresso come:

Il ciclo rigenerativo

Un’altra variazione del ciclo Rankine è il ciclo rigenerativo, che comporta l’uso di riscaldatori di acqua di alimentazione. Durante il processo tra gli stati 2 e 2′ l’acqua di alimentazione è riscaldata e la temperatura media è molto più bassa durante questo processo che durante il processo di vaporizzazione 2′-3. In altre parole, la temperatura media alla quale viene fornito il calore nel ciclo Rankine è inferiore a quella del ciclo Carnot 1′-2′-3-4-1′, e di conseguenza l’efficienza del ciclo Rankine è inferiore a quella del corrispondente ciclo Carnot. La relazione tra ciclo Carnot e ciclo Rankine è mostrata qui sotto.

Nel ciclo rigenerativo, l’acqua di alimentazione entra nella caldaia in un punto tra 2 e 2′. Di conseguenza, la temperatura media alla quale viene fornito il calore è aumentata. Uno schema del ciclo pratico è mostrato qui sotto:

L’efficienza termica dell’impianto

Per calcolare l’efficienza termica globale dell’impianto, dobbiamo aggiustare le formule sopra per incorporare il calore aggiunto nelle sezioni di riscaldamento della caldaia:

Suggerimenti & Consigli

In questo laboratorio, state essenzialmente calcolando l’efficienza termica del ciclo Rankine. Tuttavia, devi prendere in considerazione il ciclo di riscaldamento e registrare i seguenti tag nelle tue tendenze:

• Q02395 Riscaldatore 1 calore trasferito
• Q02375 Riscaldatore 2 calore trasferito

Per la temperatura di ingresso della caldaia, puoi usare il tag Startup Heat Exchanger Feedwater Outlet Temperature#: T02447.

Per il secondo calcolo, individuare la Variable List Page 0100 come mostrato di seguito:

Per il terzo calcolo, assicurarsi di aver chiuso tutte le valvole di estrazione vapore e impostare T00305 a 10°C:

Per calcolare i valori di entalpia, puoi usare un’applicazione o uno strumento online come la tabella del vapore surriscaldato: https://goo.gl/GdVM4U