1

CAPITOLO 2

CICLO BRAYTON

TURBINE A GAS

FLUIDO: MONOFASE

Cap. 2

2

CICLO BRAYTON

IL CICLO TERMODINAMICO BRAYTON E’ COMPOSTO DA QUATTRO

TRASFORMAZIONI PRINCIPALI (COMPRESSIONE, RISCALDAMENTO,

ESPANSIONE E RAFFREDDAMENTO), PIÙ ALTRE TRASFORMAZIONI

ACCESSORIE CHE CARATTERIZZANO LE DIVERSE VARIANTI POSSIBILI

POICHE’ NELLE TRASFORMAZIONI IL FLUIDO DI LAVORO E’ SEMPRE

ALLO STATO GASSOSO, IL CICLO E’ DETTO A FLUIDO MONOFASE

IL FLUIDO DI LAVORO È COSTITUITO, NELLA STRAGRANDE

MAGGIORANZA DELLE APPLICAZIONI, DA ARIA

Cap. 2

3

CICLO BRAYTON - TURBINE A GAS

I COMPONENTI PRINCIPALI DELL’IMPIANTO SONO:

• COMPRESSORE

• COMBUSTORE

• TURBINA

IL COMPONENTE PRINCIPALE E’ QUELLO CHE PRODUCE ENERGIA

(MECCANICA ===> ELETTRICA) ED E’ LA TURBINA, DETTA TURBINA A

GAS

LA DEFINIZIONE “A GAS” E’ LEGATA AL FLUIDO DI LAVORO, CHE IN

TUTTE LE QUATTRO TRASFORMAZIONI E' ALLO STATO GASSOSO (E

QUINDI COMPRIMIBILE)

Cap. 2

4

CICLO BRAYTON - CICLO CHIUSO IDEALE

IL FLUIDO DI LAVORO COMPIE TUTTE LE QUATTRO TRASFORMAZIONI IN

FORMA CICLICA, SENZA CONTATTO CON L'ESTERNO

E' UN CICLO IDEALE CHE, NELLA PRATICA, NON VIENE MAI UTILIZZATO

1-2 COMPRESSIONE ADIABATICA ISOENTROPICA

2-3 RISCALDAMENTO ISOBARO

3-4 ESPANSIONE ADIABATICA ISOENTROPICA

4-1 RAFFREDDAMENTO ISOBARO

Cap. 2

5

CICLO BRAYTON - CICLO APERTO CON COMBUSTIONE ESTERNA

IL FLUIDO DI LAVORO E' ARIA, CHE COMPIE LE PRIME TRE

TRASFORMAZIONI E POI VIENE SCARICATA ALL'ESTERNO

DAL PUNTO DI VISTA TERMODINAMICO, LO SCARICO DELL'ARIA

ALL'ESTERNO EQUIVALE AL RAFFREDDAMENTO DELLA

TRASFORMAZIONE 4-1 DEL CICLO CHIUSO

Cap. 2

6

CICLO BRAYTON - CICLO APERTO CON COMBUSTIONE INTERNA

RISPETTO AL PRECEDENTE, LA FASE DI RISCALDAMENTO VIENE

SOSTITUITA DALLA REAZIONE DI COMBUSTIONE FRA COMBUSTIBILE E ARIA

DI LAVORO. IL FLUIDO DI LAVORO VIENE POI IMMESSO IN TURBINA E, AL

TERMINE DELL'ESPANSIONE, SCARICATO ALL'ESTERNO

DAL PUNTO DI VISTA TERMODINAMICO, NON CI SONO DIFFERENZE CON IL

CICLO CHIUSO E CON QUELLO APERTO CON COMBUSTIONE ESTERNA

L’ARIA DI LAVORO E’ MOLTO SUPERIORE AL DOSAGGIO STECHIOMETRICO

CHE SERVE PER LA COMBUSTIONE.

DOSANDO IL COMBUSTIBILE, SI OTTIENE LA DESIDERATA TEMPERATURA DI

FINE RISCALDAMENTO

Cap. 2

7

CICLO BRAYTON - CICLO APERTO CON COMBUSTIONE INTERNA

1-2 COMPRESSIONE ADIABATICA (ISOENTROPICA NEL CICLO IDEALE)

2-3 COMBUSTIONE ISOBARA

3-4 ESPANSIONE ADIABATICA (ISOENTROPICA NEL CICLO IDEALE)

4-1 SCARICO IN ATMOSFERA (= RAFFREDDAMENTO)

Cap. 2

8

TERMODINAMICA DEL CICLO IDEALE

lt = LAVORO USCENTE (TURBINA)

lc = LAVORO ENTRANTE (COMPRESSORE)

qe = CALORE ENTRANTE (COMBUSTORE)

qu = CALORE USCENTE (SCARICO)

qe = (h

3 - h

2) = C

p (T

3 - T

2)

qu = (h

4 – h

1) = C

p (T

4 - T

1)

lc = (h

2 – h

1) = C

p (T

2 - T

1)

lt = (h

3 – h

4) = C

p (T

3 - T

4)

lc + q

e -

lt -

q

u = 0 q

e -

q

u = lt -

lc > 0

LAVORO NETTO PRODOTTO DAL CICLO

l = lt - l

c

Cap. 2

9

RENDIMENTO DEL CICLO IDEALE

k = Cp / C

v

f = (k - 1) / k

RAPPORTO DI COMPRESSIONE

= p2 / p1 = p3 / p4

RENDIMENTO DEL CICLO

= 1 - T1 / T2 = 1 - T4 / T3 = 1 - -f

Cap. 2

10

RENDIMENTO DEL CICLO IDEALE

IL RENDIMENTO CRESCE IN FUNZIONE DEL RAPPORTO DI COMPRESSIONE E

DEL RAPPORTO DI TEMPERATURE T2/T

1 OPPURE T

3/T

4

NEL CICLO APERTO T1 E' LA TEMPERATURA ATMOSFERICA E p

1 E' LA PRESSIONE

ATMOSFERICA, PER CUI NON SONO MODIFICABILI

L'AUMENTO DEL RAPPORTO DI COMPRESSIONE SI OTTIENE AUMENTANDO LA

PRESSIONE p2 (CHE E' ANCHE LA PRESSIONE DI COMBUSTIONE E LA PRESSIONE

DI INGRESSO IN TURBINA) E, CONSEGUENTEMENTE, LE TEMPERATURE T2 E T

3

NELLA TURBINA, IN OGNI PUNTO DI OGNI PALETTA SI REGISTRA UNA

TEMPERATURA COSTANTE DURANTE IL FUNZIONAMENTO. IL LIMITE

ALL'INCREMENTO DI p3 E T3 E' DATO DAL LIMITE DI RESISTENZA MECCANICHE

DELLE PALETTE DELLA SEZIONE DI INGRESSO DELLA TURBINA (DOVE CI SONO LA

MASSIMA TEMPERATURA E LA MASSIMA PRESSIONE)

Cap. 2

11

RENDIMENTO DEL CICLO REALE

ATTUALMENTE SI REALIZZANO CICLI BRAYTON CON TEMPERATURE

MASSIME DELL'ORDINE DEI 1000-1100°C (1300 K) E PRESSIONI DI INGRESSO

IN TURBINA DI CIRCA 40 BAR, CON ASPIRAZIONE E SCARICO IN ATMOSFERA

(1 BAR, 300 K)

UN CICLO DI CARNOT OPERANTE FRA LE STESSE TEMPERATURE MASSIMA

E MINIMA AVREBBE UN RENDIMENTO SUPERIORE AL 75%

IL RENDIMENTO DI UN CICLO BRAYTON IDEALE CARATTERIZZATO DAGLI

STESSI DATI E' DEL 60% CIRCA. E' PIU' BASSO PERCHE' L'INTRODUZIONE DI

CALORE AVVIENE A TEMPERATURE INFERIORI ALLA MASSIMA E LO

SCARICO A TEMPERATURE SUPERIORI ALLA MINIMA

IL RENDIMENTO DELLE MACCHINE REALI E' MOLTO PIU' BASSO (max 40%

circa), PER EFFETTO DI VARI TIPI DI PERDITE, DESCRITTI NEL SEGUITO

Cap. 2

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TERMODINAMICA DEL CICLO REALE

lt = LAVORO USCENTE (TURBINA)

lc = LAVORO ENTRANTE (COMPRESSORE)

qe = CALORE ENTRANTE (COMBUSTORE)

qu = CALORE USCENTE (SCARICO)

qe = C

p (T

3’ - T

2’) = q

u id /

b = C

p (T

3 - T

2) /

b

qu = C

p (T

4’ - T

1’)

lc = C

p (T

2’ - T

1’) = l

c id /

c = C

p (T

2 - T

1) /

c

lt = C

p (T

3’ - T

4’) = l

t id x

t = C

p (T

3 - T

1) x

t

c E

t SONO I RENDIMENTI COMPLESSIVI DI COMPRESSORE E TURBINA,

CHE INCLUDONO IL RENDIMENTO ADIABATICO, QUELLO MECCANICO E

QUELLO ELETTRICO

b E’

IL RENDIMENTO DEL COMBUSTORE

Cap. 2

13

RIGENERAZIONE

PUO' ESSERE APPLICATA AL CICLO SEMPLICE, CON LO SCOPO DI

OTTENERE UN AUMENTO DI RENDIMENTO

IL FLUIDO CALDO IN USCITA DALLA TURBINA VIENE UTILIZZATO PER UN

PRERISCALDAMENTO DEL FLUIDO IN USCITA DAL COMPRESSORE, PRIMA

DELLA COMBUSTIONE

Cap. 2

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RIGENERAZIONE

PUO' ESSERE APPLICATA SOLAMENTE SE LA TEMPERATURA DEL FLUIDO IN USCITA

DALLA TURBINA E' PIU' ELEVATA DI QUELLA IN USCITA DAL COMPRESSORE

CIO' SI VERIFICA SOLAMENTE SE: < = * = (T4 / T1) 1/2f

DATO CHE LA RIGENERAZIONE SI APPLICA AI CICLI CON RAPPORTO DI

COMPRESSIONE PIU' BASSO, ESISTERANNO COMUNQUE DEI CICLI NON

RIGENERATIVI, CARATTERIZZATI DA UN MOLTO ELEVATO, CHE HANNO

RENDIMENTO SUPERIORE AI CICLI CON RIGENERAZIONE

Cap. 2

15

TERMODINAMICA DEL CICLO REALE

COMPRESSIONE

LA COMPRESSIONE E' ADIABATICA, MA NON E' ISOENTROPICA. IL LAVORO

TERMODINAMICO DI COMPRESSIONE E' INCREMENTATO RISPETTO A

QUELLO IDEALE. SE NE TIENE CONTO COL RENDIMENTO ADIABATICO

DI COMPRESSIONE AC (0,700,85)

A FRONTE DI QUESTO SVANTAGGIO, NE DERIVA IL VANTAGGIO CHE

L'AUMENTO DEL LAVORO TERMODINAMICO SI TRADUCE IN UNA

TEMPERATURA DI FINE COMPRESSIONE PIU' ELEVATA, CONSENTENDO

UN RISPARMIO NEL CALORE INTRODOTTO

IL LAVORO DI COMPRESSIONE RISULTA ULTERIORMENTE

INCREMENTATO RISPETTO A QUELLO IDEALE, PER EFFETTO DELLE

PERDITE MECCANICHE. SE NE TIENE CONTO COL RENDIMENTO

MECCANICO MC (0,950,99)

Cap. 2

16

TERMODINAMICA DEL CICLO REALE

ESPANSIONE

L'ESPANSIONE E' ADIABATICA, MA NON E' ISOENTROPICA. IL LAVORO

TERMODINAMICO DI ESPANSIONE E' RIDOTTO RISPETTO A QUELLO

IDEALE. SE NE TIENE CONTO COL RENDIMENTO ADIABATICO DI

ESPANSIONE AT (0,750,92)

IL LAVORO DI ESPANSIONE RISULTA ULTERIORMENTE RIDOTTO RISPETTO

A QUELLO IDEALE, PER EFFETTO DELLE PERDITE MECCANICHE E DELLE

PERDITE DEL GENERATORE. SE NE TIENE CONTO COL RENDIMENTO

MECCANICO MT (0,950,99) E COL RENDIMENTO ELETTRICO E (0,940,98)

Cap. 2

17

TERMODINAMICA DEL CICLO REALE

COMBUSTIONE

LA COMBUSTIONE AVVIENE CON UN RENDIMENTO < 1 PERCHE':

• UNA PARTE DEL COMBUSTIBILE NON VIENE BRUCIATA DURANTE LA

COMBUSTIONE

• LA CAMERA DI COMBUSTIONE DISPERDE CALORE VERSO L'ESTERNO

SE NE TIENE CONTO COL RENDIMENTO DI COMBUSTIONE b (0,940,98)

DATO CHE SI UTILIZZA UN RAPPORTO ARIA/COMBUSTIBILE DI CIRCA 60

(MOLTO PIU' ELEVATO DEL VALORE STECHIOMETRICO CHE E’ CIRCA 15

PER GLI IDROCARBURI), SI OTTIENE UN RENDIMENTO DI COMBUSTIONE

ELEVATO, PERCHE’ CI SONO POCHI INCOMBUSTI

Cap. 2

18

PRESTAZIONI DELLE MACCHINE REALI

IL RENDIMENTO DELLE MACCHINE REALI DIPENDE FORTEMENTE

DALLA TAGLIA E VARIA FRA:

• 20% CIRCA PER LE MACCHINE PIU’ PICCOLE (0,5 MW)

• 40% CIRCA PER LE MACCHINE PIU’ GRANDI (250 MW)

Cap. 2

19

TURBINE A GAS PER IMPIEGO AERONAUTICO

LA TURBINA ESPANDE IL FLUIDO QUANTO BASTA PER TRASCINARE IL

COMPRESSORE

IL FLUIDO ALLO SCARICO VIENE ESPULSO A PRESSIONE ANCORA

ELEVATA E QUINDI AD ELEVATA VELOCITA'

LA SUA QUANTITA' DI MOTO (PRODOTTO MASSA x VELOCITA') VIENE

EQUILIBRATA DA UNA QUANTITA' DI MOTO UGUALE ED OPPOSTA CHE FA

AVANZARE L'AEREO

Cap. 2

20

COMBUSTIBILI

NEI CICLI CON COMBUSTIONE INTERNA, IL COMBUSTIBILE DEVE ESSERE

TALE DA NON PROVOCARE UN DANNEGGIAMENTO O UNO SPORCAMENTO

DELLE PALE DELLA TURBINA

NEGLI IMPIEGHI AERONAUTICI SI USANO COMBUSTIBILI LIQUIDI

(NORMALMENTE KEROSENE)

NEGLI IMPIANTI FISSI SI USA NORMALMENTE GAS NATURALE (METANO)

Cap. 2

21

CONFRONTO FRA TURBINE A VAPORE E TURBINE A GAS

TURBINE A GAS:

• TAGLIA PIU' RIDOTTA (300 kW - 250 MW)

• GRANDE RAPIDITA' DI VARIAZIONE DI CARICO (AVVIAMENTO E

RAGGIUNGIMENTO DELLA POTENZA MASSIMA IN 1 MINUTO CIRCA)

• RENDIMENTI PIU' RIDOTTI (MAX 40%)

TURBINE A VAPORE:

• TAGLIA MOLTO PIU' GRANDE (1 MW - 1.000 MW)

• LENTEZZA NELLE VARIAZIONE DI CARICO (PER L'AVVIAMENTO ED IL

RAGGIUNGIMENTO DEL CARICO MASSIM0 OCCORRONO ALCUNE ORE)

• RENDIMENTI PIU' ELEVATI (4244%)

Cap. 2

22

COGENERAZIONE CON TURBINE A GAS

I GAS SCARICATI DALLE TURBOGAS NON VENGONO PIU' RIUTILIZZATI NEL

CICLO

IL CALORE CHE POSSEGGONO PER EFFETTO DELLA LORO TEMPERATURA

MOLTO ELEVATA PUO' ESSERE UTILIZZATO PER RISCALDARE DEI FLUIDI

DA IMPIEGARE IN ALTRI IMPIANTI

LA TEMPERATURA MOLTO ELEVATA DEI GAS DI SCARICO CONSENTE IL

LORO IMPIEGO IN COGENERAZIONE ANCHE IN CASI IN CUI SONO

RICHIESTI FLUIDI A TEMPERATURA MOLTO ELEVATA

Cap. 2

23

IMPIEGO DELLE TURBINE A GAS

• MOTORI A REAZIONE DI AEREI

• IMPIANTI DI POTENZA MEDIO-BASSA

• CICLI COMBINATI GAS+VAPORE (SI USANO I GAS DI SCARICO, A

TEMPERATURA ELEVATA, DELLE TURBOGAS PER RISCALDARE

VAPORE, CHE VIENE POI ESPANSO IN UNA TURBINA A VAPORE,

OTTENENDO UN CICLO DAL RENDIMENTO COMPLESSIVO CHE PUO'

SUPERARE ANCHE IL 50%)

• IMPIANTI DI COGENERAZIONE CON NECESSITA' DI CALORE A

TEMPERATURA ELEVATA

Cap. 2

24

CICLO COMBINATO GAS+VAPORE

LA COGENERAZIONE CON UNA TURBINA A GAS

SI EFFETTUA RECUPERANDO CALORE DAI GAS

DI SCARICO

POICHE’ QUESTI SONO A TEMPERATURA

ELEVATA, E’ POSSIBILE PRODURRE VAPORE

INVIANDO QUESTO A UNA TURBINA A VAPORE, SI

AUMENTA L’ENERGIA ELETTRICA PRODOTTA A

PARITA’ DI CONSUMO DI CALORE, QUINDI

AUMENTA IL RENDIMENTO ELETTRICO (CHE PUO'

SUPERARE ANCHE IL 50%)

Cap. 2

25

CICLO COMBINATO

IL CICLO DI TURBINA A GAS E' UN NORMALE CICLO BRAYTON DOVE SI RECUPERA

CALORE IN COGENERAZIONE DAI GAS DI SCARICO PER PRODURRE VAPORE DA

INVIARE IN UNA TURBINA A VAPORE

IL VAPORE VIENE PRODOTTO A PRESSIONE NON TROPPO ALTA PER CONSENTIRE

DI RAFFREDDARE I FUMI DI SCARICO DELLA TURBINA A GAS AD UNA

TEMPERATURA SUFFICIENTEMENTE BASSA.

EVENTUALMENTE PER RAFFREDDARE ULTERIORMENTE I FUMI (AD UNA

TEMPERATURA INFERIORE A Tx) E' POSSIBILE PREVEDERE UN ULTERIORE

SCAMBIATORE DI RECUPERO DEL CALORE PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA

Cap. 2

Tx

Cap. 2

CICLO COMBINATO GAS-VAPORE CON COGENERAZIONE

UTENZA

TERMICA

26

27

CICLO COMBINATO

PER LA TURBINA A VAPORE DI UN CICLO COMBINATO ESISTONO

TUTTE LE POSSIBILITA' DI UTILIZZO GIA' DESCRITTE NEL CAPITOLO

“CICLO RANKINE – TURBINE A VAPORE” :

• SOLO PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA: IMPIANTO A

CONDENSATORE FREDDO

• PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E CALORE (CIOE’

COGENERAZIONE) CON DIVERSE SOLUZIONI IMPIANTISTICHE

− IMPIANTO A CONDENSATORE CALDO

− IMPIANTO A CONDENSATORE CALDO + CONTROPRESSIONE

− IMPIANTO A CONTROPRESSIONE

• COGENERAZIONE PARZIALE: IMPIANTO COGENERATIVO DI UNO DEI TIPI

SOPRA INDICATI + CONDENSATORE FREDDO

Cap. 2

28Cap. 2

CICLO TURBINA A GAS CON e = 40% - t = 40% (*)

CICLO TURBINA A VAPORE CON e = 25% (**)

(SOLO PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA)

TURBINA A GAS

TURBINA A VAPORE

CICLO COMBINATO

(*) IL RENDIMENTO TERMICO IN COGENERAZIONE POTREBBE ESSERE CIRCA 45%

TUTTAVIA, VISTO CHE SI DEVE PRODURRE VAPORE A PRESSIONE ELEVATA

PER INSERIRLO NELLA TURBINA A VAPORE, IL GAS ALL'USCITA DELLA CALDAIA

A RECUPERO AVRA' ANCORA UNA TEMPERATURA PIUTTOSTO ELEVATA

E QUINDI IL RENDIMENTO TERMICO SARA' PIU' BASSO, INTORNO AL 40%

(**) IL RENDIMENTO DEL CICLO A VAPORE E' ABBASTANZA BASSO

PERCHE', PER I MOTIVI SOPRA DESCRITTI, IL VAPORE VIENE PRODOTTO

AD UNA PRESSIONE NON COSI ALTA COME NEI CICLI CHE

UTILIZZANO UNA CALDAIA A COMBUSTIBILE FOSSILE

COMPONENTE

40 40 20

ELETTRICA TERMICA PERSA

ENERGIA

25% x 40 = 10 0 75% x 40 = 30

50 0 50

29Cap. 2

CICLO COMBINATO - ESEMPI

CICLO TURBINA A GAS CON e = 40% - t = 40%

CICLO TURBINA A VAPORE CON e = 20% - t = 45%

(COGENERAZIONE + CONDENSATORE FREDDO)

TURBINA A GAS

TURBINA A VAPORE

CICLO COMBINATO

COMPONENTEENERGIA

ELETTRICA TERMICA PERSA

48 18 39

40 40 20

20% x 40 = 8 45% x 40 = 18 14

30Cap. 2

CICLO COMBINATO - ESEMPI

CICLO TURBINA A GAS CON e = 40% - t = 40%

CICLO TURBINA A VAPORE CON e = 15% - t = 65%

(TOTALMENTE COGENERATIVA)

TURBINA A GAS

TURBINA A VAPORE

CICLO COMBINATO 46 26 28

40 40 20

15% x 40 = 6 65% x 40 = 26 8

COMPONENTEENERGIA

ELETTRICA TERMICA PERSA