Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 4 febbraio 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 considera- zione. 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 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. Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. 5) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. Quesito 1 (13 punti) Una caldaia sperimentale a ossicombustione è schematizzabile come nella figura sottostante. Essa viene alimentata con una portata di gas naturale pari a 4 kg/h e con una portata di ossidante pari a 17 kg/h costi- tuito da una miscela di O 2 al 98% prelevato da bombole alla temperatura di 25°C (punto A). Noto che: • Il gas naturale ha potere calorifico pari a 47 MJ/kg ed è immesso in caldaia alla temperatura di 25°C; • Una frazione di gas combusti è ricircolata alla temperatura di 450°C (corrente B) per mitigare la tempera- tura di combustione; • La frazione rimanente di gas combusti è inviata a uno scambiatore dove viene raffreddata fino a 270°C (punto C) preriscaldando l'ossidante prima della combustione; • Le perdite termiche della caldaia ammontano all'1% della potenza termica introdotta con il combustibile. Si richiede di: 1) di valutare la portata di ricircolo necessaria a limitare la temperatura adiabatica di fiamma a 1900°C 2) la potenza termica e il rendimento della caldaia Dati per la risoluzione del quesito: calore specifico dei gas combusti: 1.8 kJ/kg-K O 2 98% Gas naturale A BC Potenza termica Quesito 2 (13 punti) Si consideri una turbina a gas monoalbero funzionante secondo i seguenti parametri di progetto: − le condizione ambiente sono le seguenti: T = 20 °C, p = 1007 mbar − la perdita di carico all'aspirazione è pari a 7 mbar − la temperatura dell'aria allo scarico del compressore è pari a 380 °C − la perdita di carico del combustore è pari al 4% − la perdita termica al combustore è pari allo 0.4% dell'input termico del combustibile − il combustibile è gas naturale con potere calorifico pari a 47 MJ/kg − la temperatura all'uscita del combustore è pari a 1100°C − velocità di rotazione dell'albero: 3000 giri/min. − la curva caratteristica del compressore è espressa dalla relazione: C , IN C , INC , IN C , IN C , RID TN 45 pT m m= =& & − la curva caratteristica della turbina è espressa dalla relazione: T , INT , IN T , IN T , RID pT m m& & = = 1400 in cui m& è espresso in kg/s, T in K, p in bar, N in giri min. − il rendimento politropico della turbina è pari al 91% − la perdita di pressione allo scarico della turbina è pari a 30 mbar − le perdite meccaniche sull'albero ammontano a 2 MW − il rendimento elettrico dell'alternatore è pari al 98% − aria: rapporto γ (=c P/cV): 1.39, massa molare: 28.8 kg/kmol − gas combusti: rapporto γ (=c P/cV): 1.35, massa molare: 28.4 kJ/kmol Trascurando per semplicità i flussi di raffreddamento della turbina, si richiede di: 1. valutare la portata massica d'aria aspirata dal compressore 2. determinare il rapporto di compressione a cui opera il compressore e il suo rendimento politropico 3. calcolare potenza elettrica e rendimento della turbina a gas