Appunti turbine a vapore d\'acqua PDF

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Appunti sulle turbine a vapore caricate dal prof. Nuccio sul portale...

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IMPIANTI MOTORE A VAPORE

Ciclo Rankine –Hirn

Principali simboli utilizzati negli schemi degli impianti con turbina a vapore

4is

Schema dell’impianto per realizzare il ciclo RankineHirn

Ciclo Rankine-Hirn con surriscaldamento rappresentato nel piano Temperatura-Entropia e nel piano Entalpia-Entropia

Trasformazioni termodinamiche del ciclo Rankine-Hirn 

Compressione del liquido dall’uscita del condensatore fino alla pressione in ingresso al generatore di vapore (12)



Riscaldamento del liquido a pressione costante (22’)



Vaporizzazione del liquido a pressione e temperatura costanti (2’3’)



Surriscaldamento del vapore saturo a pressione costante fino alla temperatura massima del ciclo (3’3)



Espansione nella turbina fino ala pressione del condensatore (34)

1

 Condensazione a pressione e temperatura costanti fino ad ottenere nuovamente la fase liquida (41)

Con riferimento al ciclo è possibile definire i seguenti rendimenti:

Rendimento del ciclo limite

lim 

Ltis  L pid h3  h 4is   h 2  h1  h3  h4is   Q1 h3  h 2 h3  h2

 ciclo 

Rendimento del ciclo “reale”

Lt  L p Q1

 i Ltis  

Lpid

p

Q1

Rendimento organico

o 

(eventualmente comprensivo del lavoro delle pompe)

Rendimento utile

u 

Lu Q1

Lu Lt

oppure mediante potenze  u 

Pu 

Q1



con Q1  Gv  Q1 

Rendimento del generatore di vapore

Q1 G Q  v 1 b  Gb  H i Gb  H i 

Rendimento globale dell’impianto

Pu Q Pu g   Gb  H i Gb  Hi  Q1

2

Si possono inoltre definire i seguenti consumi specifici:

Consumo specifico di combustibile

Consumo specifico di vapore

qb 

qv 

G b G bH i 1   Pu Hi Pu g H i

Gv Gv 1   Pu G v  Lu Lu



Consumo specifico di vapore

1 Q G Q qc  1  v 1  Pu G v  Lu  u

METODI PER AUMENTARE IL RENDIMENTO DEL CICLO RANKINE-HIRN



Condensazione a bassa pressione



Vaporizzazione ad alta pressione



Surriscaldamenti ripetuti



Rigenerazione



Cicli a recupero



Cicli sovrapposti

3

IMPIANTI A RECUPERO Impianti destinati alla produzione di energia elettrica e di vapore per usi industriali o per riscaldamento

Impianti a recupero totale (in contropressione)

Impianto a recupero totale: il condensatore è sostituito dall’utilizzatore termico

Il vapore viene fatto espandere in turbina fino a raggiungere le condizioni richieste dall’utilizzatore termico (qualche bar, per es. fino al punto 5) e se possibile il vapore viene recuperato. 

La potenza termica recuperata può essere espressa come:

Pu   o  Pi

Mentre la potenza utile: Il rendimento utile del ciclo si può esprimere:

Qrec  Gv  ( h5  h5' )

e Pi  Gv  (h3  h5 )

Pu

u  



Q1  Qrec 



Considerando il calore Q rec  Q 2 , cioè pari al calore ceduto all’esterno:

u 

Pu 



Q1  Q2



o  Pi 



Q1  Q2







o ( Q1  Q2 ) 



 o

Q1  Q2 4

La regolazione dell’impianto può essere problematica se la potenza e il calore recuperato devono variare in modo indipendente , per cui è preferibile in questo caso un impianto a recupero parziale.

Impianti a recupero parziale

3

G 5 4

5’ Impianto a recupero parziale

Una parte del vapore viene estratta durante l’espansione (punto 5) mentre l’altra parte continua il ciclo. La condensa dell’utilizzatore termico viene rinviata al generatore di vapore con quella proveniente dal condensatore. Il rendimento utile dell’impianto si può esprimere:

u 

Pu 



Q1  Q rec

Questo tipo di impianto permette di regolare la portata estratta in funzione delle necessità dell’utilizzatore termico in modo indipendente, entro certi limiti, alla potenza elettrica prodotta. La regolazione può avvenire per laminazione del vapore all’ammissione sia della prima che della seconda turbina mediante le due valvole V’ e V”.

5

Regolazione mediante laminazione all’ammissione della turbina

p3

tra monte e valle della valvola si può ritenere h = 0 (h = cost), ma con p > p’. A valle della valvola si ha riconversione di energia cinetica in entalpia ma la pressione è la stessa che si aveva subito dopo la valvola. Si riduce così il salto entalpico a disposizione e se la turbina è e rimane critica si avrà:

p 3’

Gv' p '   Gv p

pv p' v'

Poiché lungo un’isentalpica nel campo del vapore surriscaldato si ha pv = p’v’ = cost.:

G'v p'  Gv p

La potenza si modificherà quindi:

Pu ' G v' his' ' i o'  Pu G v his  o

Diminuisce sia il salto entalpico disponibile sia la portata; peggiorano anche i rendimenti i a causa della variazione di U/C1 in ogni stadio. Conseguenza della laminazione è anche una riduzione del rendimento globale g dell’impianto. Infatti è: Pu = oi his Gv prima della regolazione e

Pu = o’ ’i h’is Gv‘ dopo la regolazione.

Considerando il rendimento globale prima e dopo la regolazione:

P g  u Gb Hi

Pu' e   ' ' Gb H i ' g

e quindi:

g' Pu' Gb o' ' i his' Gv' Gb       g Pu Gb' o i his Gv Gb'

6

Scrivendo un bilancio al generatore di vapore prima e dopo la regolazione :

 bG b H i  G v ( h3  h2 )

Gv' G b b'   cos t. essendo h3 = h3’ Gv G b' b

 b' G b' H i  G v' ( h3'  h2 )

sostituendo nel rapporto del rendimento globale prima e dopo la regolazione: Gv il rendimento globale scende sensibilmente con il diminuire del his. In realtà si ottengono elevate variazioni di Gv con piccole variazioni di salto entalpico.

Per una turbina semplice monostadio potrebbero valere ancora le considerazioni fatte sugli ugelli: andamento ellittico della portata in funzione della pressione di valle fino al raggiungimento della pressione critica nella sezione ristretta o di scarico. Se la turbina è multistadio si ha ancora una legge ellittica fino ad un rapporto critico che è molto diverso dal caso di turbina semplice (molto inferiore) dopodiché la portata rimane costante:

Gv

n= cost. p3 = cost.

Gvcr

1

p4/p3

p4cr/p3 La parte con andamento ellittico può esprimersi:

2

 Gv   p4  p4 cr     G  vcr   p3  p4 cr

2

   1 

Si può anche rappresentare Gv in funzione di p3. Per gli ugelli si aveva un aproporzionalità diretta che si può ritenere tale anche per le turbine multiple:

7

Gv Gvp3 p4=cost. pv=cost con la laminazione

p3 p3 = p4 (p3/p4)cr

Volendo rappresentare Gv in funzione di p3 e p4 si può ricorrere ad un diagramma tridimensionale definito “cono dei consumi (di vapore).

Regolazione mediante parzializzazione all’ammissione del vapore in turbina Si può effettuare solo se la turbina è provvista di ruota ad azione con distributore a grado di pazializzazione variabile in testa. Si ha tuttavia un aumento delle perdite per effetto ventilante e la regolazione è comunque discontinua e comporta una diminuzione di i. Sul distributore successivo al primo infatti la sezione è rimasta invariata per cui dovendo smaltire una minore portata dovrà diminuire la pressione a monte, in tal modo aumenta la caduta del 1° distributore che si trova tra la pressione di alimentazione costante e quella a monte del 2° distributore che è diminuita. In maniera analoga diminuisce la caduta sull’ultimo distributore, cambiano allora i rapporti U/C1 di questi stadi e quindi i i. rispettivi rendimenti i. La potenza utile: 8

Pu  oi  G v  his diminuisce per il calo di Gv (con anche una diminuzione di i). La portata è infatti:

Gv   l  d (1   )  Ca dove  è il coefficiente di ingombro delle palettature, l l’altezza delle palettature all’ingresso della girante, d il diametro medio dlla girante,  il grado di parzializzazione,  densità deò vapore in ingresso alla girante.

Regolazione di un impianto a recupero parziale È possibile regolare in questo tipo di impianto sia la potenza all’albero sia la quantità di calore impiegata nell’utilizzatore termico, mantenendo i giri costanti e anche costante la pressione p5 a monte dell’utilizzatore termico stesso. Regolazione con la valvola V” Laminando con questa valvola la prima espansione non subisce variazioni, mentre la p5 si porta al valore p5” di ingresso alla seconda turbina dove la portata si riduce in ragione di p5”/p5:

3 3’

5 p5”

G'  G' 

4

5’ Impianto a recupero parziale

p 5" p5

nell’ipotesi che sia critica e tale seconda turbina dopo la regolazione. turbina non è cambiata invece la continua ad essere la somma conseguenza la G estratta aumenta.

rimanga la Nella prima portata che G+G’; di

La potenza dell’impianto è invece diminuita essendo:

P2  h5"4  G' ' h5”-4 è diminuita così come G . Si arriverà così ad un punto per il quale la V”è completamente chiusa , cioè l’impianto diviene a recupero totale (punto C).

9

p3 h

p5

3

5

p5” p4

5’’

4

s

Regolazione mediante la valvola V’ (V” aperta) La potata G+G’ che attraversa la prima turbina diminuisce nel rapporto:

G  G  G  G '  '

p 3' p3

La nuova portata nella seconda turbina diviene:

Pu = 0 G 0

G' 

p5 p 5v 5'''

e quindi G '  G'

v5 v 5'''

Poiché v5’’’ è superore a v5, la G' è diminuita rispetto a G’, però di poco data la piccola differenza tra v5’’’ e v5.

10

h

3

3’

5’’’

5

v5

v5’’’

s

'

Se la portata G  G è diminuita invece di molto, causa la notevole variazione di p3, significa che è proprio la G estratta ad essere diminuita in modo sensibile. La potenza, somma delle potenze delle due turbine, diminuisce sia perché è diminuita la portata '

G  G nella prima turbina, sia perché è diminuito il relativo salto entalpico (la potenza nella seconda turbina è circa costante). Al punto in cui G nulla, l’impianto diviene a recupero nullo (punto A).

Ripartendo ora dal punto C (V” chiusa) se si inizia a laminare con V’ la potenza e la portata estratta diminuiscono fino ad annullarsi (Pi = 0, ma Pu 0). Dal punto A (portata estratta nulla) se si comincia a laminare con V” la portata estratta torna ad aumentare ma diminuisce ulteriormente la potenza . Infatti, la G’ disunisce ma con g+G’ costante deve aumentare la portata estratta G. La potenza diminuisce ulteriormente per la riduzione di G’ e del salto entalpico nella seconda turbina.

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