Ciclo di Rankine per scambiatori di calore a circuito chiuso e cogenerazione a ciclo di Rankine
Ciclo di Rankine con scambiatori di calore per l'acqua di alimentazione chiusi
Il ciclo di Rankine con scambiatori di calore per l'acqua di alimentazione chiusi presenta i suoi vantaggi ed è il più comunemente utilizzato in tutte le moderne centrali elettriche. Scambiatore di calore per l'acqua di alimentazione chiuso utilizza un modo indiretto di trasferimento di calore, cioè il vapore estratto o sottratto dalla turbina trasferisce il suo calore indirettamente all'acqua di alimentazione in uno scambiatore di calore a guscio e tubi. Poiché il vapore e l'acqua non si mescolano direttamente, i circuiti di vapore e acqua sono a pressioni diverse. Lo scambiatore di calore per l'acqua di alimentazione chiuso nel ciclo è rappresentato nella diagramma T-s come mostrato di seguito nella Figura 1.
Teoricamente o idealmente, il trasferimento di calore nello scambiatore di calore per l'acqua di alimentazione chiuso dovrebbe avvenire in modo tale che la temperatura dell'acqua di alimentazione aumenti fino a quella della temperatura di saturazione del vapore estratto (riscaldando l'acqua di alimentazione).
Tuttavia, nell'operazione effettiva della centrale, la temperatura massima che l'acqua di alimentazione può raggiungere è normalmente leggermente inferiore a quella della temperatura di saturazione del vapore. La ragione potrebbe essere che pochi gradi di gradiente di temperatura sono necessari per un trasferimento di calore efficace ed efficiente.
Questo condensato o vapore condensato dal guscio dello scambiatore di calore deve essere trasferito al prossimo scambiatore (a bassa pressione) nel ciclo o talvolta al condensatore.
Differenza tra scambiatori di calore per l'acqua di alimentazione aperti e chiusi
Gli scambiatori di calore per l'acqua di alimentazione aperti e chiusi possono essere differenziati come segue:
Scambiatore di calore per l'acqua di alimentazione aperto |
Scambiatore di calore per l'acqua di alimentazione chiuso |
Aperto e semplice |
Più complesso nella progettazione |
Ottimi caratteristiche di trasferimento di calore |
Trasferimento di calore meno efficace |
Miscela diretta di vapore estratto e acqua di alimentazione in un serbatoio a pressione |
Miscela indiretta di acqua di alimentazione e vapore in uno scambiatore di calore a guscio e tubi. |
È necessaria una pompa per trasferire l'acqua alla fase successiva nel ciclo. |
Le pompe per l'acqua di alimentazione chiusa non richiedono una pompa e possono operare con la differenza di pressione tra i vari scambiatori di calore nel ciclo. |
Richiede più spazio |
Richiede meno spazio |
Meno costoso |
Più costoso |
Tutte le moderne centrali elettriche impiegano una combinazione di scambiatori di calore per l'acqua di alimentazione aperti e chiusi per massimizzare l'efficienza termica del ciclo.
Fenomeno di cogenerazione
La termodinamica applicata si occupa della conversione di forme preziose di energia (calore) in lavoro. Nelle centrali elettriche, ciò viene fatto trasferendo il calore al fluido di lavoro chiamato acqua. Quindi, lo scopo è evitare lo spreco di calore del vapore nei condensatori delle turbine a vapore. Questo è possibile se si trova il modo di utilizzare il vapore a bassa pressione che entra nel condensatore.
Cogenerazione è il concetto di utilizzare il calore del vapore per uno scopo utile, piuttosto che sprecarlo (attualmente sprecato nei condensatori).
La cogenerazione significa Produzione Combinata di Calore e Potenza (CHP), ovvero la generazione simultanea di calore e potenza per l'industria che richiede vapore di processo. In una centrale di cogenerazione, sia il calore che la potenza sono utilizzati saggiamente, quindi l'efficienza può essere del 90% o superiore. La cogenerazione offre risparmio energetico.
La cogenerazione offre la riduzione dello spreco di grandi quantità di vapore, che può essere utilizzato in molti dispositivi sotto forma di calore. Molte industrie come carta e pasta, chimica, tessile e fibra e cemento dipendono da impianti di cogenerazione per il vapore di processo. Il requisito di vapore di processo nelle industrie sopra menzionate è nell'ordine di 4 a 5 kg/cm2 a temperature intorno ai 150-180°C.
Industrie come carta, chimica e tessile richiedono sia potenza elettrica che vapore di processo per raggiungere i loro obiettivi. Quindi, questo requisito può essere facilmente soddisfatto installando un impianto di cogenerazione.
La temperatura all'interno della caldaia è nell'ordine di 800-900°C e l'energia viene trasferita all'acqua per produrre vapore a pressione di 105 bar e temperatura intorno ai 535°C per le centrali di cogenerazione. Il vapore con questi parametri è considerato una fonte di energia di alta qualità e viene quindi prima utilizzato nella turbina a vapore per produrre potenza e l'uscita della turbina (energia di bassa qualità) viene utilizzata per soddisfare il requisito di vapore di processo.
L'impianto di cogenerazione è noto per soddisfare il requisito di potenza mentre soddisfa il requisito di vapore di processo dei processi industriali.
La cogenerazione ideale con turbina a vapore è mostrata nella figura 2 sopra. Supponiamo che il requisito di calore di processo Qp sia di 5,0 Kg/cm2 intorno a 100 kW. Per soddisfare il requisito di vapore di processo a 5,0 Kg/cm2, il vapore viene espanso nella turbina fino a quando la pressione del vapore scende a 5,0 Kg/cm2 e produce così potenza intorno ai 20 kW.
Il condensato dal riscaldatore di processo viene riciclato indietro alla caldaia per l'operazione ciclica. Il lavoro della pompa necessario per aumentare la pressione dell'acqua di alimentazione nel ciclo è considerato piccolo e non viene considerato.
Tutta l'energia trasferita al fluido di lavoro nella caldaia viene utilizzata o nella turbina a vapore o nell'impianto di processo, quindi il fattore di utilizzazione dell'impianto di cogenerazione è:
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