Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 25 giugno 2012 Tempo a disposizione: 2 ore 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, dell'ordine del testo della risoluzio- ne, del livello delle spiegazioni a corredo. Il punteggio finale verrà normalizzato 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 (11 punti) Un ciclo a vapore con cattura mediante ossicombustione brucia olio pesante di composizione massica asse- gnata nella sottostante tabella con un flusso di ossigeno avente purezza (molare) del 98% (in miscela con Ar e N 2 al 2%). Noto che: • l'efficienza della centrale è pari al 34% • l'eccesso di ossidante utilizzato nella combustione è pari al 6% • nell'impianto di separazione criogenica degli incondensabili la purezza della corrente di CO 2 da inviare allo stoccaggio viene elevata al 97% (molare) separando una corrente avente concentrazione di incon- densabili pari al 76% (molare) È richiesto di: 1. valutare l'efficienza di cattura della CO 2 conseguita dall'impianto; 2. calcolare le emissioni specifiche di CO 2 della centrale (espresse in kg CO2 /MWh EL) Per la risoluzione si faccia l'ipotesi che le specie C, H, S durante la combustione vengano ossidate a CO 2, SO 2 e H 2O. SO 2 e H 2O vengono totalmente rimossi prima che il flusso ricco di CO 2 venga inviato alla sezio- ne di separazione criogenica degli incondensabili. O 2, N 2 e Ar che costituiscono gli incondensabili si distri- buiscono in maniera omogenea fra le sue correnti. Frazione massica, % massa molare, kg/kmol C 87 12 H 10 1 S 3 32 Potere calorifico inferiore, MJ/kg 40 Quesito 2 (15 punti) Una turbina a gas bialbero ha disposizione come riportato nella figura sottostante. Noto che: • le condizioni dell'aria all'aspirazione del compressore (punto 1) sono T=28°C, p=987 mbar • il rapporto di compressione del compressore è pari a 24 • la temperatura dell'aria all'uscita del compressore è pari a 550 °C • il rendimento meccanico del compressore (L PALE /LALBERO ) è pari a 0.997 • il potere calorifico inferiore del combustibile è pari a 46 MJ/kg • la perdite di carico del combustore è pari al 3% • la temperatura dei gas all'ingresso della turbina AP è pari a 1200°C • la temperatura dei gas allo scarico della turbina BP è pari a 435°C • il rendimento meccanico di ciascuna delle turbine (L ALBERO /LPALE ) è pari a 0.997 • 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 28.5 kg/kmol • i flussi di raffreddamento della macchina sono trascurati È richiesto di calcolare 1) la potenza e il rendimento del ciclo di turbina a gas 2) la portata di aria aspirata dal compressore 3) la velocità di rotazione dell'albero AP Dati per la risoluzione del quesito: equazioni curve caratteristiche compressore: 1 11 1 C , RIDT N 4 pT m m= ⋅ =& & turbina AP: 150 pT m m 33 3 TAP , RID = ⋅ =& & in cui m& è espresso in kg/s, T in K, p in bar, N in giri/min. ~ Δ P Δ P 0 123 4 5 6 c