Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 12 settembre 2012 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) Un impianto di produzione di idrogeno è basato su un processo di gassificazione alimentato a carbone. Le condizioni del syngas all’uscita dello scrubber sono le seguenti: • Portata massica: 70 kg/s • Composizione molare: Ar: 1.9%, CH 4: 0.6%, CO: 49.5%, CO 2: 3.5%, H 2: 27.9%, H 2O: 12.8%, H 2S: 1.0%, N 2: 2.8% • Massa molare risultante: 20.24 kg/kmol Sapendo che: • la portata di vapore aggiunta prima del processo di shift è tale da portare il rapporto vapore / carbonio della miscela all'ingresso al valore di 1.9 • all’uscita della sezione di water gas shift la temperatura del syngas è pari a 270°C e la composizione è in equilibrio rispetto alla reazione di water gas shift • l'efficienza di separazione dell'idrogeno del sistema PSA è pari all'88% Si chiede di determinare: 1) la portata massica di vapore aggiunta; 2) la portata massica di idrogeno puro prodotta dall'impianto. Dati per la risoluzione del quesito: − Massa molare: H: 1 kg/kmol, O: 16 kg/kmol − Costante di equilibrio della reazione di water gas shift: () 807 . 1 T 1961 p pp p log K log O 2 H CO2 H 2 CO 10 p 10 − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅ = dove T è espresso in K Quesito 2 (13 punti) Una turbina a gas bialbero con combustione esterna è utilizzata in un impianto cogenerativo alimentato a biomassa avente la disposizione riportata nella figura sottostante. Noto che: • le condizioni dell'aria all'aspirazione del compressore (punto 1) sono T=−5°C, p=1005 mbar • il rapporto di compressione del compressore è pari a 15 • il rendimento politropico del compressore è pari a 0.9 • il rendimento meccanico del compressore (L PALE /LALBERO ) è pari a 0.997 • la perdita di carico dello scambiatore caldo (tratto 2-3) è pari al 4% • il rendimento politropico della turbina AP è pari a 0.91 • la pressione allo scarico della turbina BP (punto 5) è pari a 1.15 bar • il rendimento politropico della turbina BP è pari a 0.925 • il rendimento meccanico delle turbine (L ALBERO /LPALE ) è pari a 0.997 • il rendimento elettrico dell'alternatore è pari a 0.96 • il rapporto γ=c P/cV dell'aria è pari a 1.39 • la massa molare dell'aria è pari a 28.9 kg/kmol • i flussi di raffreddamento della macchina sono nulli (la macchina è non raffreddata) È richiesto di calcolare: • il valore di TIT (temperatura al punto 3) che consente all'albero veloce di limitare la velocità di rotazione a 9000 giri/min. • il valore della pressione che si viene a determinare al punto 4 • la potenza e il rendimento elettrico della turbina a gas Dati per la risoluzione del quesito: equazioni curve caratteristiche compressore: 1 11 1 C , RIDT N 5 . 1 pT m m= ⋅ =& & turbina AP: 120 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. Caldaia a biomassa ~ ΔP 0 123 4 5 Utenza termica biomassa