Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 5 settembre 2016 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 (12 punti) Una cella a combustibile MCFC è alimentata mediante un flusso di 0.2 kg/s di una carica 26% CH 4 + 74% H 2O (composizione molare). Sapendo che:  Il flusso entrante sul lato catodico è rappresentato da 7 kg/s di aria addizionata con CO 2 avente la seguente composizione molare: Ar = 0.8%, CO 2 = 7.4%, H 2O = 6.0%, N 2 = 67.6%, O 2 = 18.2%  la massa molare del flusso entrante sul lato catodico è pari a 29.408 kg/kmol  la concentrazione di CO 2 allo scarico catodico è pari al 4%  La tensione della cella è pari a 0.72 V e il rendimento faraidico è unitario È richiesto di calcolare: 1) la potenza elettrica generata ai capi della cella 2) il rendimento della cella 3) il fattore di utilizzo del combustibile 4) il fattore di utilizzo dell'ossigeno e della CO 2 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 Costante di Faraday: 9.6485 x 10 7 C/kmol Quesito 2 (16 punti) Un ciclo combinato con cattura della CO 2 mediante ossi-combustione è allestito secondo lo schema riportato nella figura sottostante. Sapendo che:  La portata massica di combustibile (gas naturale) alimentato all'impianto è pari a 16.5 kg/s  Il gas naturale ha la seguente composizione molare: CH 4: 0.89, C 2H6: 0.07, C 3H8: 0.01, C 4H10: 0.001, CO 2: 0.02, N 2: 0.009  Massa molare del gas naturale: 17.970 kg/kmol  Tutto il combustibile viene portato a ossidazione completa a CO 2 e H 2O senza produzione di in- quinanti o incombusti  La portata massica della corrente di ossidante proveniente dall'ASU è pari a 63.7 kg/s  La composizione molare della corrente di ossidante proveniente dall'ASU è la seguente: Ar: 0.02, N 2: 0.01, O 2: 0.97  Massa molare della corrente di ossidante: 32.119 kg/kmol  All'uscita dell'HRSG il flusso (punto 5) viene raffreddato in uno scambiatore a contatto diretto che condensa una parte dell'H 2O contenuto nella corrente  All'uscita dello scambiatore (punto 6), il flusso di gas è saturo di H 2O e le sue condizioni sono p=1.02 bar, T=28°C  La pressione di saturazione dell'H 2O a 28°C è pari a 0.03783 bar Si chiede di: 1. Calcolare la portata della corrente ricca di CO 2 (punto 7) inviata all'impianto di purificazione e compressione della CO 2 2. Valutare la portata massica di gas ricircolato all'ingresso del compressore (punto 1), sapendo che la frazione molare dell'H 2O nel flusso al punto 5 è pari al 13.5% ~ ~ fuel CO 2rich stream to purification unit Cooling water O2stream from ASU 4 2 3 5 8 9 10 11 15 1 6 7 14 12 Dati per la risoluzione del quesito: Massa molare, kg/kmol: Ar = 39.95, CO 2 = 44, N 2 = 28, O 2 = 32, H 2O = 18