I cicli chiusi quale strumento per migliorare

l’efficienza termodinamica di conversione di

calore in energia meccanica

—

Closed thermodynamic cycles as a tool to

improve the efficiency of energy conversion

systems

Costante M. Invernizzihttp://www.costanteinvernizzi.it

18 maggio 2011 - secondo convegno DIMI

Outline

I cicli termodinamici tradizionali per la produzione di energia

Le molteplici sorgenti termiche “non convenzionali” disponibili

La scelta dei fluidi di lavoroGli aspetti termodinamiciGli aspetti tecnologici

Conclusioni

Produzione di energia elettrica in Italia

Produzione termoelettrica netta.

Impianti con sola produzione di energia elettrica - anno 2003

tipologia e.e. netta (GWh) frazione (%) ηe (medio, %)

combustione interna 1385 0.8671 31.35turbine a gas 8569 5.3647 32.54vapore a condensazione 122749 76.8488 36.39cicli combinati 27025 16.9194 52.15

frazione di e.e. per tipologia di combustibile (%): combustibilisolidi (carbone, lignite): 21.8634; gas naturale: 42.8986; gasderivati (acciaieria, altoforno, cokeria): 0.8946; prodotti petroliferi(olio, orimulsion, distillati): 32.8145; altri combustibili solidi (tar,catrame ...): 0.966; altri combustibili gassosi: 0.5628.

I cicli termodinamici di largo impiego

I cicli termodinamici per lo piu utilizzati sono: � il ciclo a gas(Joule-Brayton); � il ciclo a vapore (Rankine).• Joule-Brayton: aria, gas perfetto, rapporti compressione 3-30,temperature massime 800-1300 ◦

C, ciclo aperto

• Rankine: acqua, vapore/liquido, rapporti di compressione100-4000, temperature massime 300-600 ◦

C, ciclo chiuso

Le sorgenti termiche “non convenzionali”

Esempi, I: i recuperi termici da processi industriali e l’energia geotermica

Tipiche sorgenti di calore discarto da alcuni processi indu-striali con le relative efficienzedi utilizzo, [1].

Temperature tipiche delle sor-genti geotermiche e loro possibilidirette applicazioni, [2].

Le sorgenti termiche “non convenzionali”

Esempi, II: il recupero termico da motori a combustione interna

Temperature delle sorgenti dicalore e potenze termiche

disponibili in un motore Diesel“heavy-duty” da 17 MW

elettrici, [3].

� la potenze termica e disponibilecon temperature molto

diverse: dai gas di scarico da350 - 400 ◦

C, dall’acqua diraffreddamento da 90 - 100 ◦

C,dall’olio di lubrificazione da≈50 ◦

C

� ≈56% della potenza termicatotale disponibile e nei gas di

scarico

� le portate in massa dei gas

sono relativamente piccole:1.8-1.9 inferiori di quella diuna turbina a gas di pari potenza.Nel caso del motore considerato:27 kg/s

Le sorgenti termiche “non convenzionali”

Esempi, III.a: l’energia termica da fonte solare

Classificazione dei collettori solari in base alla morfologia delconcentratore, [4].

Le sorgenti termiche “non convenzionali”

Esempi, III.b: l’energia termica da fonte solare

Alcune caratteristiche di collettori per l’energia solare, [5].

Le proprieta termodinamiche dei fluidi di lavoro

piano termodinamico T-S.

piano T-S adimensionalizzato.

� le caratteristiche del ciclo dipendonodalla sua posizione rispetto alla curvalimite nel piano termodinamico� con opportune adimensionalizzazioni(Tr = T/Tcr , Pr = P/Pcr , ∆S/R ... )e possibile ricondurre il comportamen-to di fluidi simili (con eguale “comples-sita molecolare”) ad un unico “fluidoequivalente”� a fissati valori assoluti di tempera-tura e pressione potrebbero allora cor-rispondere comportamenti termodina-mici tutt’affatto diversi� esempio: T = 300 K, P = 100 bar

– aria: Tr = 2.27, Pr = 2.63 (gas per-fetto); acqua: Tr = 0.46, Pr = 0.45(liquido incomprimibile); anidride car-bonica: Tr = 0.99, Pr = 1.35 (gas conintensi effetti di “gas reale”)

Le proprieta termodinamiche dei fluidi di lavoro

I diversi cicli termodinamici realizzabili

Configurazioni dei principali ciclitermodinamici nel piano T-S.

� GAS PERF: tradizionale ciclo agas perfetto

� VAPORE: ciclo Rankine sullacurva limite con evaporazione econdensazione

� GAS REALE: ciclo a gas conespansione in gas perfetto ecompressione in gas reale

� GAS/COND: concondensazione ed espansione digas perfetto

� LIQ: ciclo termodinamico tuttonella fase liquida

Specifici cicli termodinamici possono, in linea diprincipio, essere utilizzati per tutte le differentiapplicazioni riscontrabili.

Gli aspetti termodinamici

Esempio: il recupero termico da una sorgente geotermica HT

� la scelta del fluido puo rivelarsi fondamentale. � il fluido dilavoro influenza la termodinamica e le condizioni operative.

Gli aspetti termodinamici

Esempio: il recupero termico da una sorgente geotermica LT, [6]

• miglior sfruttamento della sorgen-te. • minore portate di refrigeranteal condensatore.

� fluido di lavoro: miscela diacqua-ammoniaca (cicloKalina)

� applicazione: sorgentegeotermica a bassatemperatura

AMMONIA WATER

Tcr (◦C) 133.7 374.2pcr (bar) 116.0 221.0Tb (◦C) -33.3 100.0MM (g/mol) 17.031 18.015

• il fluido di lavoro influenza latermodinamica e le condizionioperative.

Gli aspetti termodinamici

La rigassificazione del gas naturale, [7]

LNG (gas naturale liquefatto) disponibile a -160 ◦C

(a) ciclo binario vapore d’acqua +n-butano; (b) ciclo chiuso con azoto(gas perfetto). Piano T-S ed LNG

come “pozzo freddo”.

ciclo chiuso a condensazione adanidride carbonica con compressoreHP per migliorare la rigenerazione a

bassa temperatura.

• CO2: temperatura di condensazione-50 ◦

C; non infiammabile, non tossi-ca, non corrosiva, poco costosa, ter-micamente stabile sino a temperatureelevate. • esempio: η = 53.3% conTmax = 600 ◦

C.

Gli aspetti termodinamici

La rigassificazione del gas naturale, [8]

(1) gli effetti di gas reale riducono ilriscaldamento in compressione, consignificativi vantaggi sul rendimento;(2) buone prestazioni con un “layout”di impianto relativamente semplice.

MM Tcr Pcr

(g/mol) (K) (bar)

azoto 28.014 126.2 22.98aria 28.96 132.52 37.66argon 39.948 150.86 49.98ossigeno 31.999 154.58 50.43metano 16.043 190.56 45.99

Capacita di raffreddamento di LNGipercritico per: (a) cicli Rankine

semplici; (b) ciclo binari; (c) ciclo agas con gas perfetto ad elevata

temperatura; (d) ciclo a gas con gasreale.

Gli aspetti termodinamici

I cicli chiusi con gas reale e l’uso delle miscele non-azeotropiche

Inviluppi di fase e luogo dei punticritici per miscele CO2/butano.

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Rendimento di cicli a gas reale conCO2 e con una miscela

CO2/benzene.

I cicli Brayton con compressionenelle vicinanze del punto critico,dove⇒ i volumi specifici sono unafrazione di quelli del gas perfetto

hanno prestazioni termodinami-che particolarmente attraenti.In particolare a temperaturemassime non elevate.⇒ semplicita impiantistica eturbomacchine molto compatte

⇒ L’uso di miscele permet-te di generare fluidi di lavorocon le temperature critiche piuopportune.

Gli aspetti termodinamici

I cicli chiusi con gas reale

Esempio: ciclo Stirling

Risultati per cicli ideali: (a) parametro di potenza W � = W /pmaxVT ; (b)rendimento del ciclo; (d) diagrammi pressione-volume,[9].

L’interazione fra le proprieta termodinamiche del fluido e

gli aspetti tecnologici

La stabilita termica dei fluidi di lavoro

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Misure di tensione di vapore, [10].

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Scostamenti in percentuale fra valorimisurati di tensione di vapore, [10].

• dopo l’analisi termodinamica:

⇒ indagini sulla stabilitatermica per determinare letemperature massime alle qualiil fluido di lavoro puo essereimpiegato con ragionevole sicu-rezza⇒ la presenza di oli, impurita odi specifici materiali portano asensibili differenze con i valoridi temperatura massima ope-rativa riscontrabili in ambienterelativamente inerte

L’interazione fra le proprieta termodinamiche del fluido e

gli aspetti tecnologici

Le diverse condizioni operative. Esempio: la turbina, I

vapore d’acqua:→ 450 ◦

C, 30 bar;→ p1/p3 = 1.5→ uno stadio di turbina assiale

m (kg/s) 0.1 1 10 100 1000

N (r/min) 316227 100000 31623 10000 3162rm (cm) 0.875 2.77 8.747 25.05 87.48h (cm) 0.165 0.522 1.65 5.22 16.51Utip (m/s) 317.0 317.0 317.0 317.0 317.012C

2a,3/W (%) 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94

W (kW) 12.59 125.9 1258.8 12588.2 125882.4

L’interazione fra le proprieta termodinamiche del fluido e

gli aspetti tecnologici

Le diverse condizioni operative. Esempio: la turbina, II

elio:→ 800 ◦

C, m =1 k/s;→ p1/p3 = 1.0655→ uno stadio di turbina assiale

p1 (bar) 60 6 0.6 0.06

N (r/min) 250000 80000 25292 8000rm (cm) 1.254 3.91 12.37 39.12h (cm) 0.352 1.127 3.56 11.27Utip (m/s) 374.5 374.97 374.9 374.9112C

2a,3/W (%) 6.42 6.42 6.42 6.42

W (kW) 14.02 13.96 13.96 13.96

L’interazione fra le proprieta termodinamiche del fluido e

gli aspetti tecnologici

Il fluido di lavoro. Esempio: la turbina, III

→ uno stadio di turbina assiale→ p1/p3 = 1.5ammissione del vapore:→ 450 ◦

C, 20 bar;portata:→ m = 1 k/s

biphenyl: (C6H5)2, idrocarburoaromatico

DIPHENYL STEAM

Tcr (◦C) 499.85 374pcr (bar) 33.8 220.64MM (g/mol) 154.2114 18.015

DIPHENYL STEAM

N (r/min) 40000 81649rm (cm) 2.12 3.40h (cm) 0.38 0.64Utip (m/s) 96.8 318.812C

2a,3/W (%) 7.39 9.94

W (kW) 11.04 127.42

L’interazione fra le proprieta termodinamiche del fluido e

gli aspetti tecnologici

Gli scambiatori di calore.

evaporatori:

condensatori:

rigeneratori:

un motore termicorichiede l’uso discambiatori di calore.

• il progetto de-gli scambiatori di-pende strettamentedal fluido di lavoro edalle condizioni ope-rative: portate volu-metriche, coefficien-ti di scambio termi-co ... • un modestorendimento compor-ta un pesante impe-gno di superfici discambio termico •costi

Conclusioni

• la conversione termodinamica del calore da sorgenti non deltutto tradizionali (geotermia, biomassa, solare termico,recuperi da processi industriali) con:

� una grande varieta delle potenze in gioco

� le piu diverse sorgenti termiche (liquido, gas, miscele di gas evapori)

puo rendere inadeguati i convenzionali cicli a vapore e a gas.La scelta del fluido di lavoro permette:

� la realizzazione di differenti ed opportuni cicli termodinamici

� di garantire le condizioni operative per un buon rendimento diconversione per qualunque taglia di potenza e temperatura

Per contro: ⇒ difficolta nella standardizzazione dei motori; ⇒(talvolta) mancanza di affidabili dati sui possibili fluidi di lavoro:necessita di ricerca e sviluppo di prototipi.

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