Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 15 luglio 2014 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 considera- zione. 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 comprensibilità della calligra- fia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a corredo. Il punteggio finale verrà nor- malizzato 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 "rimanda- to". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "riprovato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (19 punti) Si consideri la turbina a gas monoalbero a combustione esterna dell'impianto schematizzato nella figura sot- tostante in cui, per elevare il recupero termico dalla caldaia e il rendimento dell'impianto, viene effettuata una iniezione di acqua liquida all'uscita del compressore. Sono noti i seguenti parametri di progetto:  Pressione all'aspirazione (#1): 1.013 bar  Temperatura all'aspirazione (#1): 25 °C  Portata di acqua liquida: 2.5 kg/s  Temperatura acqua liquida: 25 °C  Pressione acqua liquida: 20 bar  Velocità di rotazione: 7000 giri/min.  Rendimento politropico del compressore: 87%  Rendimento politropico dell'espansore: 91%  p/p fluido di lavoro in caldaia (da #3 a #4): 5%  Temperatura ingresso turbina (#4): 900 °C  Pressione allo scarico della turbina (#5): 1.08 bar  Temperatura gas combusti al camino (#6): 160 °C  PCI biomassa: 8.1 MJ/kg  Perdite meccaniche, elettriche e ausiliari: 600 kW Si richiede di valutare: 1) La potenza elettrica netta dell'impianto 2) La portata di biomassa e il rendimento netto dell'impianto 3) La temperatura del flusso dopo l'iniezione di acqua (#3) verificando l'assenza di condense nel flusso mi- scelato 4) La potenza termica ceduta al ciclo a gas nella caldaia a biomassa Dati per la risoluzione del quesito: Equazioni curve caratteristiche delle turbomacchine compressore: 1 11 1 C , RIDT N 5 . 1 pT m m    turbina: 160 pT m m 44 4 T , RID     in cui m è espresso in kg/s, T in K, p in bar, N in giri/min. Calore specifico (c P), kJ/kg-°C: aria = 1.05 vapore = 2.16 gas combusti = 1.17 Massa molare, kg/kmol: aria = 28.8 vapore = 18 Proprietà dell'H 2O in condizioni di saturazione sul retro del foglio Caldaia a biomassa ~ 123 45 biomassa 6 acqua liquida Quesito 2 (9 punti) Una caldaia a letto fluido alimentata a carbone genera 108 tonn/h di vapore saturo a 15 bar a partire da con- dense a 160 °C e 25 bar. Nella condizione iniziale, la caldaia ha un'emissione specifica di CO 2 pari a 390 kg per MWh termico utile. Noto che:  il contenuto in massa di carbonio nel carbone è pari al 64%  il potere calorifico inferiore del carbone è pari a 26.5 MJ/kg Si richiede di valutare la riduzione dell'emissione di CO 2 resa possibile da interventi migliorativi che portano il rendimento della caldaia al 90%. Si consideri ora una misura alternativa, cioè l'utilizzo di biomassa in sostituzione di carbone. Noto che:  l'input termico globale e il rendimento (pari ai valori iniziali) della caldaia non variano in seguito alla modi- fica della carica alimentata  il costo del carbone è pari a 51 €/tonn  le emissioni specifiche di CO 2 della biomassa possono considerarsi nulle  il potere calorifico inferiore della biomassa è pari a 8.5 MJ/kg  il costo della biomassa è pari a 35 €/tonn Si richiede di:  valutare la portata di biomassa da alimentare alla caldaia per ottenere la medesima riduzione delle e- missioni di CO 2 conseguita nel caso di rendimento della caldaia pari al 90%  valutare il costo della CO 2 evitata con questa sostituzione (espresso in €/tonn CO2 ) Dati per la risoluzione del quesito: Massa molare, kg/kmol: C = 12 CO 2 = 44 Proprietà dell'H 2O in condizioni di saturazione liquido vapore T, °C p, bar v, m 3/kg h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg h, kJ/kg s, kJ/kg-K 25.0 0.0317 0.001003 104.8 0.367 43.3414 2546.5 8.557 160.0 6.181 0.001102 675.6 1.943 0.3068 2757.4 6.749 198.3 15.00 0.001154 844.7 2.315 0.1317 2791.0 6.443