Quando il vapore saturato generato in un caldaia a vapore viene fatto passare attraverso superfici di scambio termico, la sua temperatura inizia ad aumentare al di sopra della temperatura di evaporazione o di saturazione.
Il vapore viene descritto come sovrarriscaldato se la sua temperatura è superiore a quella di saturazione. Il grado di sovrarriscaldamento è direttamente correlato alla temperatura del vapore riscaldato al di sopra della temperatura di saturazione.
Il sovrarriscaldamento può essere fornito solo al vapore saturato e non a vapore con presenza di umidità. Per ottenere un sovrarriscaldamento, il vapore saturato deve passare attraverso un altro scambiatore di calore. Questo scambiatore di calore per il sovrarriscaldamento è chiamato scambiatore di calore secondario all'interno della caldaia. I gas di scarico caldi che escono dalla caldaia sono considerati il miglior modo per riscaldare il vapore saturato.
Il vapore sovrarriscaldato trova applicazione nelle centrali termoelettriche a vapore per la generazione di energia elettrica. Nei turbine a vapore, il vapore sovrarriscaldato entra da un lato ed esce dall'altro lato nel condensatore (che può essere di tipo ad acqua o ad aria). La differenza di energia del vapore sovrarriscaldato tra l'ingresso e l'uscita della turbina causa la rotazione del rotore della turbina. C'è una graduale riduzione dell'energia del vapore mentre passa attraverso il rotore della turbina.
È quindi essenziale avere un sufficiente sovrarriscaldamento all'ingresso della turbina, per evitare la condensazione del vapore umido nella parte finale del rotore della turbina.
In pratica, il rotore della turbina a vapore ha un certo numero di stadi e il vapore deve passare attraverso ogni stadio prima di raggiungere il condensatore. Quindi, se non viene fornito un sufficiente sovrarriscaldamento al vapore all'ingresso della turbina, il vapore potrebbe diventare saturato raggiungendo gli stadi successivi del rotore e diventare sempre più umido passando attraverso ogni stadio successivo.
Il vapore umido alla fine del rotore è molto pericoloso poiché può portare a colpi d'acqua e a una forte erosione negli ultimi stadi delle pale della turbina. Per superare questo problema, è consigliabile progettare i parametri di ingresso del vapore della turbina in modo tale che il vapore sovrarriscaldato entri all'ingresso della turbina e l'uscita della turbina sia progettata per corrispondere ai parametri del vapore vicini alle condizioni di saturazione.
Uno dei principali motivi per l'uso del vapore sovrarriscaldato nella turbina a vapore è un apprezzabile miglioramento nell'efficienza termica del ciclo.
L'efficienza del motore termico può essere trovata utilizzando:
Efficienza del ciclo di Carnot: Rapporto della differenza di temperatura tra ingresso e uscita rispetto alla temperatura di ingresso.
Efficienza del ciclo di Rankine: Rapporto dell'energia termica all'ingresso e all'uscita della turbina rispetto all'energia termica totale prelevata dal vapore.
2. Esempio di calcolo dell'efficienza del ciclo di Carnot e del ciclo di Rankine.
Esempio:
Una turbina è alimentata con vapore sovrarriscaldato a 96 bar a 490oC. L'uscita è a 0.09 bar e con 12% di umidità.
La temperatura del vapore saturato è: 43.7oC
Determinare e confrontare l'efficienza del ciclo di Carnot e del ciclo di Rankine.
Procedura per determinare l'efficienza del ciclo di Carnot :
Procedura per determinare l'efficienza del ciclo di Rankine :
Dove,
Calore sensibile nel condensato corrispondente alla pressione di uscita di 0.09 bar in KJ/Kg = 183.3
3.
Diagramma di fase del vapore è una rappresentazione grafica dei dati forniti nella tabella del vapore. Il diagramma di fase del vapore fornisce la relazione tra entalpia, temperatura e varie pressioni. Enthalpia liquida hf. Questo è rappresentato dalla linea A-B nel diagramma di fase. Quando l'acqua inizia a ricevere calore da 0oC, riceve tutta la sua entalpia liquida lungo la linea dell'acqua saturata A-B nel diagramma di fase.
Enthalpia del vapore saturato (hfg): Qualsiasi ulteriore aggiunta di calore comporta un cambiamento di fase in vapore saturato e viene rappresentato da (hfg) nel diagramma di fase, cioè B-C.
Frazione di secchezza (x): Quando si applica calore, il liquido inizia a cambiare fase da liquido a vapore e la frazione di secchezza del miscuglio inizia ad aumentare, cioè si muove verso l'unità. Nel diagramma di fase, la frazione di secchezza del miscuglio è 0.5 esattamente a metà della linea BC. Analogamente, nel punto c del diagramma di fase, il valore della frazione di secchezza è 1.
Linea C-D Punto c è sulla linea del vapore saturato, qualsiasi ulteriore aggiunta di calore comporta un aumento della temperatura del vapore, cioè l'inizio del sovrarriscaldamento del vapore rappresentato dalla linea C-D.
Zona liquida → Regioni a sinistra della linea dell'acqua saturata
Zona di sovrarriscaldamento → Regioni a destra della linea del vapore saturato
Zona a due fasi → Area tra la linea dell'acqua saturata e la linea del vapore saturato, è un miscuglio di liquido e vapore. Miscuglio con diverse frazioni di secchezza.
Punto critico → È il punto apicale dove le linee dell'acqua e del vapore saturato si incontrano. L'entalpia di vaporizzazione diminuisce a zero al punto critico, il che significa che l'acqua cambia direttamente in vapore al punto critico e oltre.
La massima temperatura che il liquido può raggiungere o esistere è equivalente al punto critico.
Parametri del punto critico → Temperatura 374.15oC
Pressione → 221.2 bar
I valori superiori a questi sono valori supercritici e sono utili per aumentare l'efficienza del ciclo di Rankine.
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