Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 10 febbraio 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 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 (14 punti) In un ciclo IGCC con cattura pre-combustione della CO 2 il syngas viene sottoposto a un processo di water gas shift in due stadi. Noto che:  La composizione molare del syngas all'ingresso del primo stadio è la seguente: Ar: 0.6%, CH 4: 0.6%, CO: 27.0%, CO 2: 5.0%, H 2: 18.3%, H 2O: 47.5%, H 2S: 0.5%, N 2: 0.5%  la massa molare del syngas all'ingresso del primo stadio è pari a 19.34 kg/kmol  la temperatura del syngas all'uscita del primo stadio è pari a 490°C  la temperatura del syngas all'uscita del secondo stadio è pari a 260°C  la costante di equilibrio della reazione WGS è esprimibile per mezzo della relazione:  ) 807 . 1 T 1961 ( ) p pp p ( log Kp log CO O 2 H2 H 2 CO 10 10     dove T è espresso in K  il calore di reazione a 260 °C della reazione WGS (esotermica) è pari a 39.5 MJ/kmol CO  il calore specifico a pressione costante (c P) del syngas è pari a 1.83 kJ/kg Supponendo che le reazioni di water gas shift procedano fino alla condizione di equilibrio termodi- namico, è richiesto di: 1) Valutare la percentuale del carbonio contenuto nel syngas presente sotto forma di CO 2 all'usci- ta del secondo nel syngas. 2) Determinare la temperatura a cui deve essere raffreddata la corrente di syngas prima dell'in- gresso nel secondo reattore Quesito 2 (12 punti) Si consideri una turbina a gas bialbero avente compressore e turbina di alta pressione equilibrati sull'albero veloce e turbina di potenza collegata all'alternatore. Noto che:  la pressione all'ingresso della turbina di alta pressione è pari a 22 bar  la temperatura all'ingresso della turbina di alta pressione è pari a 1200 °C  il rendimento politropico della turbina di alta pressione è pari all'89%  il rendimento politropico della turbina di potenza è pari al 91%  la pressione allo scarico della turbina di potenza (p 5) è pari a 1.04 bar  il rendimento meccanico della turbina di potenza è pari al 99%  il rendimento elettrico dell'alternatore è pari al 98% Nell'ipotesi che non vi siano flussi di raffreddamento, è richiesto di calcolare: 1) la portata e la temperatura della corrente di gas esausti rilasciati dalla turbina a gas 2) la potenza elettrica della turbina a gas. Dati per la risoluzione del quesito:  miscela di gas combusti: rapporto c P/cV,  = 1.35 massa molare = 28.5 kg/kmol  la curva caratteristica della turbina di alta pressione è esprimibile come 200 pT m m 33 3 TAP , RID      la curva caratteristica della turbina di potenza è esprimibile come 640 pT m m 44 4 TP , RID     dove T è espressa in K, p in bar, e m in kg/s ~  P  P 0 123 4 5 6 c