Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

Corso di SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 25 luglio 2017 Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 3) Il punteggio dei singoli esercizi si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 4) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della com- prensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a cor- redo. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "ri- provato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (14 punti) Un ciclo a gas semplice (cioè non rigenerativo) è basato su una macchina monoalbero rotante a velocità costante accoppiato all'alternatore tramite un riduttore di giri meccanico. Esso funziona se- condo i seguenti parametri operativi: • Pressione all'aspirazione (flusso #1), bar: 1.013 • Temperatura all'aspirazione (flusso #1), °C: 15 • Rapporto di compressione: 14 • Rendimento politropico del compressore: 88% • Il rendimento meccanico del compressore (L PALE/ LALBERO ) è pari al 99.6% • Il combustibile è introdotto nel combustore alla temperatura di 25°C e il suo PCI è pari a 43 MJ/kg • Perdite di carico al combustore (∆p/p IN): 4% • Temperatura di ingresso in turbina (TIT, flusso #3): 1200 °C • Rendimento politropico dell'espansore: 91% • Pressione allo scarico della turbina, bar: 1.013 • Il rendimento meccanico della turbina (L ALBERO /LPALE ) è pari al 99.6% • Il rapporto γ=c P/cV dell'aria e dei gas combusti sono pari rispettivamente a 1.39 e 1.33 • La massa molare dell'aria e dei gas combusti sono pari rispettivamente a 28.9 e 28.7 kg/kmol Trascurando i flussi di raffreddamento e sapendo che l'espansore di gas lavora in blocco di portata ( 3 3 3 p T m = costante), si richiede di valutare: 1) La portata di aria all'aspirazione del compressore 2) La potenza e il rendimento del ciclo a gas nella condizione operativa indicata 3) Il rapporto di compressione del compressore quando la TIT viene limitata a 1100 °C e la tempe- ratura ambiente sale a 35°C Dati per la risoluzione del quesito: • curva caratteristica del compressore 600 11 1 = pT m = in cui= m = � espresso in kg/s, T in K, p in bar.= Quesito 2 (14 punti) Una tecnica avanzata per la cattura della CO 2 in impianti IGCC è l'utilizzo di sorbenti in grado di adsorbire CO 2 e H 2S durante la reazione Water Gas Shift. Note le seguenti assunzioni progettuali: • Portata massica del syngas all'ingresso del reattore WGS: 50 kg/s • La composizione molare del syngas all'ingresso del reattore WGS è la seguente: Ar = 0.5%, CH 4 = 0.1%, CO = 37.6%, CO 2 = 2.0%, H 2 = 17.3%, H 2O = 36.3%, H 2S = 0.2%, N 2 = 6.0% • La massa molare del syngas in ingresso al reattore WGS: 20.25 kg/kmol • La composizione molare del syngas all'uscita del reattore è la seguente: Ar = 0.78%, CH 4 = 0.16%, CO = 4.82%, CO 2 = 1.56%, H 2 = 80.56%, H 2O = 2.80%, N 2 = 9.33% • La composizione all'uscita è in equilibrio rispetto alla reazione WGS • La costante di equilibrio della reazione WGS è esprimibile per mezzo della relazione: ( ) T T p p p p K O H CO H CO P 6. 2180 10 855.3 4198.2 log log 4 2 2 2 10 10 + × + −=      ⋅ ⋅ = − = con T=espressa in K.= • ∆h della reazione WGS = −41.2 MJ/kmol • ∆h della reazione di adsorbimento = −34.9 MJ/kmol (rispetto a ogni kmol di CO 2 e H 2S adsorbiti) Si richiede di valutare: 1) L'efficienza di cattura della CO 2 dell'impianto IGCC 2) La temperatura del flusso all'uscita del reattore WGS 3) La potenza termica da fornire/rimuovere al reattore per rendere isotermo il processo