8. Dimensionamento e valutazione economica
8.1.3. Configurazione con recupero – condensazione a pressione
In questa sezione si considera la configurazione in ciclo semplice con recupero utilizzando benzene e acetone condensanti alla pressione atmosferica. Come è emerso nel capitolo precedente (§7.3) questi due fluidi condensando alla pressione atmosferica conseguono rapporti di espansione ridotti e facilmente gestibili da espansori commerciali e hanno prestazioni interessanti confrontati con altri cicli più complessi. L’unico problema è che i due fluidi sono degli idrocarburi e bisogna considerare l’utilizzo di componenti certificati ATEX per la realizzazione dell’impianto.
8.1.3.1. Analisi dei parametri al variare della TIT a pressione di
evaporazione costante
Viene analizzato e riportato (Grafico 63-Grafico 65) l’andamento dei parametri variando la temperatura di ingresso in turbina (ovvero il surriscaldamento), dalla temperatura di saturazione alla temperatura massima stabilita mantenendo costante la pressione di evaporazione pari a .
8.1.3.1.1. Area di scambio totale
L’area di scambio, come visto in §8.1.2.2, aumenta all’aumentare della TIT perché diminuisce la differenza di temperatura media logaritmica. Il benzene presenta un massimo e poi cala essenzialmente perché c’è una TIT superata la quale non si riesce a recuperare tutto il calore disponibile nel serbatoio a media temperatura.
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L’area di scambio totale, confrontata con l’area dei medesimi cicli con condensazione a temperatura prossima a quella ambiente, è minore soprattutto per il minor contributo dell’area di scambio necessaria alla condensazione, per merito della maggiore differenza di temperatura media logaritmica con l’aria e della maggiore densità del fluido in uscita dalla turbina.
8.1.3.1.2. Rapporto Area/Potenza
L’andamento del rapporto Area/Potenza ha una leggera concavità verso l’alto, è per entrambi i fluidi compreso tra 0,9 e 1,1 ed è favorito tra i due l’acetone che presenta il rapporto minore, grazie alla maggiore potenza che riesce a sviluppare condensando, a parità di pressione, ad una temperatura minore rispetto il benzene.
8.1.3.1.3. Costo specifico del kW
Il costo specifico del kW ha un andamento decrescente con l’aumentare della TIT a causa della maggiore potenza che si riesce a produrre all’aumentare della TIT e che quindi riduce il costo specifico. Il benzene presenta una discontinuità dovuta alla discontinuità che ha anche la potenza legata all’impossibilità di recuperare tutto il calore disponibile nel serbatoio a media temperatura al di sopra di una certa TIT. Tra i due fluidi il fluido che presenta le migliori caratteristiche e il costo specifico più basso è l’acetone che riesce a produrre maggiore potenza ad un costo specifico inferiore ai 2500 €/kW. A causa dell’incapacità di recuperare tutto il calore al di sopra di alcuni valore di TIT il benzene ha un minimo di costo specifico ad una temperatura di ingresso in turbina inferiore a quella massima.
8.1.3.2. Analisi dei parametri al variare della pressione di
evaporazione a TIT costante
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Viene analizzato e riportato (Grafico 66-Grafico 68) l’andamento dei parametri variando la pressione di evaporazione da sopra la pressione di condensazione fino a , mantenendo costante la temperatura di ingresso in turbina pari a .
8.1.3.2.1. Area di scambio totale
L’area di scambio ha un andamento che complessivamente diminuisce all’aumentare della pressione di evaporazione. Per quanto detto in §8.1.2.3 con l’aumentare della pressione di evaporazione, a parità di TIT, diminuisce il calore recuperabile internamente e quindi diminuisce l’area dello scambiatore di recupero.
8.1.3.2.2. Rapporto Area/Potenza
Il rapporto Area/Potenza diminuisce all’aumentare della pressione di evaporazione, sia per l’aumento della potenza con la pressione ma soprattutto per la diminuzione dell’area di scambio vista nel paragrafo precedente.
8.1.3.2.3. Costo specifico del kW
Il costo specifico del kW ha un andamento decrescente con l’aumentare della pressione di evaporazione essenzialmente a causa della maggiore potenza e della minore area di scambio necessaria all’aumentare della pressione di evaporazione che permettono di ridurre il costo specifico. Il benzene presenta una discontinuità dovuta alla discontinuità che ha anche la potenza, legata all’impossibilità di recuperare tutto il calore disponibile nel serbatoio a media temperatura al di sopra di una certa pressione di evaporazione. Dall’andamento della curva dell’acetone si nota come all’aumentare della pressione il costo specifico diminuisca sempre più lentamente, altro motivo che non giustifica un ulteriore aumento della pressione oltre quella fissata.
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8.1.3.3. Considerazioni generali
In Tabella 35 sono riportati i risultati delle simulazioni alla pressione di evaporazione e alla TIT che permettono di conseguire il minor costo specifico con i fluidi. Riguardo i risultati ottenuti è possibile fare delle considerazioni.
Tabella 35: Parametri del ciclo semplice con recupero e condensazione a pressione atmosferica per cui si consegue il minimo costo specifico nelle simulazioni
Benzene Acetone 27,33 30,00 243,45 205,32 400,00 400,00 1,0112 1,0107 80,00 56,00 26,45 27,37 1 1 [kg/s] 0,3274 0,2583 41,36 44,20 0,2121 0,2267 0,7959 0,7959 0,1688 0,1804 107011 105072 2587,55 2376,93 50,58 43,45 1,22 0,98 195,00 195,00 30,26 20,04 9385,32 6215,56 148,79 145,79 6,92 10,76 3877,36 4479,39 112,77 92,12 13,40 12,65 5099,19 4840,62 47,54 50,46 41104,52 42335,01 1,34 1,26 1309,25 1289,35 0,5293 0,4767 0,1079 0,1275 0,4011 0,3158 0,0203 0,0334
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12,81 12,88
2,27 2,28
La condensazione a pressione atmosferica rende possibile la realizzazione pratica di un ciclo in configurazione semplice con recupero utilizzando l’acetone o il benzene. La condensazione a pressione atmosferica evita infiltrazioni nell’impianto, svincola dalla necessità di un degasatore ma soprattutto rende possibile l’utilizzo di espansori commerciali a singolo o doppio stadio grazie ai rapporti di espansione limitati intorno al 27. La pressione incide anche sui volumi specifici del fluido in uscita dalla turbina che sono minori rispetto ai casi precedenti e quindi minori saranno anche gli ingombri.
Il rapporto Area/Potenza praticamente unitario indica che l’impianto è relativamente compatto se confrontato con i risultati visti nei paragrafi precedenti.
La condensazione ad una temperatura abbondantemente superiore alla temperatura ambiente permette di mantenere costante la pressione di condensazione durante l’anno, variando eventualmente la portata dell’aria al variare delle condizioni stagionali. Questo ha un indubbio vantaggio: oltre ad avere un condensatore più compatto per le maggiori differenze di temperatura, le condizioni operative del ciclo rimangono costanti durante l’anno e non devono seguire le fluttuazioni stagionali dell’aria ambiente, l’unica cosa variabile è l’assorbimento del ventilatore per la variazione della portata d’aria.
Analizzando i costi è evidente come la componente di costo più importante sia legata al blocco “turbina-macchina elettrica-inverter” che rappresenta quasi la metà del costo dell’impianto.
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