Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 10 settembre 2013 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) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 6) 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. Il punteggio minimo per l'am- missione all'orale è 16/30. 5) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. Quesito 1 (16 punti) Una cella a combustibile MCFC è alimentata mediante un flusso di 0.2 kg/s di una carica 22% CH 4 + 78% H 2O (composizione molare). Allo scopo di preriscaldare i reagenti, prima dell'ammissione all'anodo la carica viene miscelata con gas uscenti dall'anodo che vengono ricircolati mediante un eiettore. Sapendo che: • La carica è alimentata a 270°C • La temperatura uscente dal lato anodico della cella è pari a 670° • Il calore specifico della carica e del flusso ricircolato è pari rispettivamente a 1.39 e 1.47 kJ/kg- K Si chiede di calcolare la portata di ricircolo affinché la carica il flusso all'ingresso dell'anodo rag- giunga i 500°C. Inoltre, noto che: • Il ricircolo ha composizione molare: CO: 3.31%, CO 2: 38.0%, H 2: 8.3%, H 2O: 50.39% • Massa molare del flusso di ricircolo: 26.88 kg/kmol • La tensione della cella è pari a 0.72 V e il rendimento faraidico è unitario È richiesto di calcolare la potenza elettrica generata ai capi della cella, il suo rendimento e il relati- vo fattore di utilizzo del combustibile. Dati per la risoluzione del quesito: Massa molare: H 2O = 18 kg/kmol, CH 4 = 16 kg/kmol Potere calorifico inferiore CH 4 = 50.01 MJ/kg ANODO CATODO Quesito 2 (10 punti) Un sistema di raffreddamento mediante quench ad acqua raffredda una portata di 50 kg/s di syngas proveniente a 1370°C dal gassificatore portandolo a saturazione alla temperatura di 230°C. Noto che: • la pressione all'uscita del quench è pari a 50 bar • la composizione del syngas è quella assegnata nella tabella sottostante • la massa molare del syngas è pari a 22.07 kg/kmol • il calore specifico medio del syngas (di composizione assegnata in tabella) è pari a 1.62 kJ/kg- K Si richiede di calcolare la temperatura alla quale l'acqua liquida viene introdotta nel quench. Specie chimica Frazione molare, % Massa molare, kg/kmol Ar 0.9 39.944 CO 57.4 28.0 CO 2 5.1 44.0 H2 21.4 2.0 H2O 13.5 18.0 H2S 1.0 34.0 N2 0.7 28.0 liquido vapore T p h s v h s v °C bar kJ/kg kJ/kg-K m 3/kg kJ/kg kJ/kg-K m 3/kg 230 27.97 990.2 2.610 0.001209 2803.0 6.213 0.07151