Energy Engineering - Energy Conversion A

Full exam

CONVERSIONE DELL’ENERGIA A 20 20 -21 Esame 24/06/20 21 Ricordarsi di scrivere codice persona, nome e cognome su tutti i fogli consegnati . Si assumano, giustificandoli, valori realistici per tutti i dati necessari allo svolgimento che non vengono forniti espressamente nella formulazione dei quesiti. Esercizio 1 (10 punti ) Una azienda alimentare utilizza un ciclo Rankine a vapor d’acqua alimentato a biomassa all’interno della propria struttura. Il ciclo quando è operato in assetto cogenerativo prevede un o spillamento di vapore dal cross -over che viene inviato al processo di produzione e s i richiede quindi necessario un reintegro di acqua . L’impianto può funzionare anche in modalità puro elettrico chiudendo l’estrazione di vapore . Il PCI della biomassa è 15 MJ/kg. In assetto cogenerativo l’impianto è caratterizzato d ai seguenti dati: • consumo di biomassa: 5.1 tonn/h • cross -over pressure: 5 bar • rendimento lordo (rispetto al PCI): 35% • temperatura del vapore all’ingresso del condensatore: 50°C • condizioni di saturazione al condensatore: 45.8°C, 0.1 bar Si chiede di: i. Esporre in maniera chiar a la soluzione, e specificare tutte le assunzioni fatte (1 punto) ; ii. Disegnare lo schema di impianto e (qualitativamente ) il diagramma di Sankey di primo principio per il funzionamento in assetto cogenerativo includendo in entrambi sia l’estrazione di vapore che il reintegro di acqua (2.5 punti ); iii. Stimare la temperatura del vapore al cross -over in assetto cogenerativo (2 punti ); iv. Assumendo per semplicità una pressione costante al cross -over indipendentemente dalla modalità di funzionamento , stimare la portata di vapore estratto in assetto cogenerativo sapendo che la potenza lorda prodotta in assetto puro elettrico è pari a 8MW (2 punti); v. Commentare e motivare senza effettuare calcoli come cambierà in realtà la pressione al cross -over passan do dall’assetto cogenerativo a quello puro elettrico e descrivere come questo influenza la termodinamica del ciclo (2.5 punti ). CONVERSIONE DELL’ENERGIA A 20 20 -21 Esercizio 2 (1 2 punti ) Una corrente di gas caldi rilasciata da un processo industriale è utilizzata per alimentare un ciclo di potenza basato su un ciclo chiuso a gas operante con CO 2 come fluido di lavoro (T crit=31°C, p crit =74bar). Il ciclo presenta il seguente schema di impianto e sono fornite le condizioni termodinamiche dei seguenti punti. Sono ino ltre note le seguenti informazioni: • i gas caldi rilasciati dal processo industriale hanno una portata pari a 20 kg/s, una temperatura inziale di 700°C e una temperatura finale di 300°C • alle temperature di interesse il cp di gas perfetto della CO 2 si può ri tenere costante e calcolabile considerando il contributo di 2 gradi di libertà vibrazionali totalmente eccitati. • I compressori C1 e C2 hanno lo stesso rapporto di compressione e la pressione minima del ciclo è 3.5 bar • Il recuperatore è progettato con un ΔT minimo di 15°C • La potenza netta prodotta è pari a 2.2 MWel • La cessione di calore all’ambiente avviene con scambiatori ad aria aventi lo stesso ΔT minimo e lo stesso au- mento di temperatura dell’aria (10°C) Trascurando le perdite di carico, si chiede di: i. Espo rre in maniera chiara la soluzione, e specificare tutte le assunzioni fatte (1 punto); i. Disegnare il ciclo termodinamico nel piano Ts avendo cura di rappresentare correttamente l’andamento delle iso- bare e della curva di saturazione. Quale dei due compressor i C1 e C2 ha la maggiore temperatura allo scarico? (2 punti) ii. Calcolare la portata di CO 2 circolante nel ciclo (2 punti) iii. Calcolare la portata di aria complessivamente necessaria per la cessione di calore all’ambiente e disegnare quali- tativamente il diagramma TQ del secondo intercooler (IC2) (2 punti) iv. Calcolare la perdita di secondo principio legata al processo di espansione della CO 2 (2 punti) v. Fornire un dimensionamento preliminare della turbina e descrivere quali perdite ne caratterizzeranno maggior- mente il progetto (3 punti) Carica la tua soluzione scannerizzata qui: C1 C2 C3 IC2 IC1 CO 2 Hot ga s air T, °C p, bar h, kJ/kg 1 35 80 352 2 82 200 381 4 640 200 1148 1 2 4