Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Heating 1 Etanolo

Nel presente Par. 6.3.2.1 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con etanolo in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Heating (H) concepiti nell’ambito dell’analisi di sensitività sui parametri di processo.

I valori degli stati termodinamici, delle potenze scambiate nelle rispettive unità e degli indicatori delle prestazioni energetiche dei cicli in esame sono riportati nel Par. A.1.1.1 in Appendice.

Nella Figura 6.3 sono riportati i diag. T-S dei cicli in esame (casi n° 1 ÷ 4, 5 ÷ 8, 9 ÷ 20):

– Trasf. A – B: espansione bifase ad alta pressione (casi n° 1 ÷ 8) oppure incremento della pressione in fase di liquido sottoraffreddato (casi n° 9 ÷ 20);

– Trasf. B – C: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza tramite il condensatore a bassa pressione adoperato in luogo del generatore di vapore (casi n° 1 ÷ 4) oppure cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore (casi n° 5 ÷ 20);

– Trasf. C – D: espansione bifase a bassa pressione;

– Trasf. D – E1: cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura al fluido di lavoro nell’evaporatore;

– Trasf.E1 – F1,1, Ei – Fi (i = 2 ÷ 4): stadio i-esimo di compressione monofase;

– Trasf. F1,1 – F1,2, Fi – Ei+1 (i = 2 ÷ 4): fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel rispettivo inter-refrigeratore o post-refrigeratore del processo di compressione monofase;

– Trasf. F1,2 – E2: cessione di potenza termica dal fluido alla sorgente termica a bassa temperatura;

– Trasf. E5 – A: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore ad alta pressione. Si sottolinea che nei casi n° 1 ÷ 4, 5 ÷ 8 in cui la temperatura del fluido di lavoro durante la trasf. E5 – A è maggiore della temperatura del fluido di lavoro nella trasf. B – C accade quanto di seguito:

 Durante la trasf. B – C nei casi n° 1 ÷ 4 ha luogo la fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore a bassa pressione e nei casi n° 5 ÷ 8 ha luogo la cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore;

 Il processo di espansione è eseguito in un espansore ad alta pressione (trasf. A – B) ed in un espansore a bassa pressione (C – D), il rendimento isoentropico di tali due espansori è variato indipendentemente tra di loro (assumendo i valori di cui al Par. 6.3.1) al fine di considerare il differente titolo del fluido di lavoro nelle rispettive sezioni di ingresso.

6.3.2.2. Nonano

Nel presente Par. 6.3.2.2 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con nonano in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Heating (H) concepiti nell’ambito dell’analisi di sensitività sui parametri di processo.

I valori degli stati termodinamici, delle potenze scambiate nelle rispettive unità e degli indicatori delle prestazioni energetiche dei cicli in esame sono riportati nel Par. A.1.1.2 in Appendice.

Nella Figura 6.4 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 1 ÷ 4):

– Trasf. A1 – A2: espansione bifase ad alta pressione, il fluido di lavoro nel punto A2 si trova nella fase di vapore saturo secco;

– Trasf. A2 – B: espansione monofase, il fluido nel punto B si trova nella fase di vapore surriscaldato; – Trasf. B – C: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore a bassa

pressione (TC = 60 °C) adoperato in luogo del generatore di vapore, in particolare il titolo in uscita da tale condensatore (punto C) è fissato pari a zero (liquido saturo);

– Trasf. C – D: espansione bifase a bassa pressione;

– Trasf. D – E1,1: cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (avente TD = 5 °C);

– Trasf. E1,1 – F: compressione monofase multistadio (n° 5 stadi) con altrettanti inter-surriscaldatori, in particolare a monte dell’i-esimo stadio di compressione Ei,2 – Ei+1,1 (i = 1 ÷ 4), E5,2 – F è ubicato il rispettivo surriscaldatore Ei,1 – Ei,2 (i = 1 ÷ 5). Nel primo surriscaldatore E1,1 – E1,2 ha luogo la cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (in quanto TE1,2 ≈ 6 °C) ed in ciascun inter-surriscaldatore successivo al primo ha luogo la cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido (in quanto la temperatura di quest’ultimo in ciascun inter- surriscaldatore non è sufficientemente bassa da consentire la cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura). La potenza termica scambiata in ciascun intersurriscaldatore è determinata in maniera tale che il fluido in uscita dallo stadio di compressione immediatamente a valle, incluso quello in uscita dall’ultimo stadio di compressione (punto F), sia nella fase di vapore saturo secco; – Trasf. F – A1: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore ad alta

pressione (TF = 280 °C).

Figura 6.4. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (casi n° 1 ÷ 4).

Nella Figura 6.5 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 5 ÷ 6), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.4 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B – C: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nello scambiatore di calore adoperato in luogo del generatore di vapore, in particolare la pressione associata allo scambio termico in esame coincide con la pressione di vapore saturo umido corrispondente alla temperatura pari a 60 °C ed inoltre la temperatura in uscita dallo scambiatore di calore in esame (punto C) è determinata in maniera tale che il titolo in uscita dal primo stadio di compressione (punto E2,1) sia pari ad 1 (vapore saturo secco). – Trasf. C – F: compressione monofase multistadio (n° 3 stadi) con n°2 inter-surriscaldatori, in ciascuno dei

quali la potenza termica è fornita dalla fonte energetica al fluido di lavoro. Si sottolinea che nei casi in esame n° 5 ÷ 6 il processo di evaporazione è assente.

Figura 6.5. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (casi n° 5 ÷ 6).

Nella Figura 6.6 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 7 ÷ 9), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.5 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. A – B: pressurizzazione del fluido di lavoro in fase liquida;

– Trasf. B – C1: cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore (TC1 = 310 °C) ed inoltre il titolo in uscita dal generatore di vapore (punto C1) è fissato pari a zero (liquido saturo nei casi n° 7 ÷ 8) oppure pari ad uno (vapore saturo secco nel caso n° 9). Nel primo caso hanno luogo il processo di espansione bifase (C1 – C2) ed il processo di espansione monofase (C2 – C3), nel secondo caso l’intero processo di espansione (C1 – C3) ha luogo nella fase del vapore surriscaldato; – Trasf. C3 – C4: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nello scambiatore di calore, in

particolare la pressione associata allo scambio termico in esame coincide con la pressione di vapore saturo umido corrispondente alla temperatura pari a 50 °C37 ed inoltre la temperatura in uscita dallo scambiatore di calore in esame (punto C4) è determinata in maniera tale che il titolo in uscita dal primo stadio di compressione (punto E2,1) sia pari a uno (vapore saturo secco);

– Trasf. C4 – F: compressione monofase multistadio (n° 4 stadi) con n°3 inter-surriscaldatori, in ciascuno dei quali la potenza termica è fornita dalla fonte energetica al fluido di lavoro. .

Si sottolinea che nei casi in esame n° 7 ÷ 9 il processo di evaporazione è assente.

Figura 6.6. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (casi n° 7 ÷ 9).

Nella Figura 6.7 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 10 ÷ 11), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.6 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B – C: fornitura di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro (TC = 60 °C) nel generatore di vapore ed inoltre il titolo in uscita (punto C) è fissato pari a zero (liquido saturo);

– Trasf. C – D: processo di espansione bifase;

– Trasf. D – E1,1: cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (avente TD = 5 °C);

– Trasf. E1,1 – F: compressione monofase multistadio (n° 2 stadi) con altrettanti inter-surriscaldatori. Si osserva che nel primo surriscaldatore E1,1 – E1,2 ha luogo la cessione di potenza termica dalla sorgente 37

Il valore della pressione in uscita dal processo di espansione (punto C3) non rappresenta un parametro di processo,

pertanto nell’ambito della presente analisi di sensitività si fissa tale grandezza coincidente con la pressione di vapore saturo umido corrispondente alla temperatura pari a 50 °C.

termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (in quanto TE1,2 ≈ 5 °C) e nel secondo inter-surriscaldatore ha luogo la cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro (in quanto la temperatura di quest’ultimo nell’inter-surriscaldatore in esame non è sufficientemente bassa da consentire la cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura);

– Trasf. F – A: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore (TF = 50 °C).

Figura 6.7. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (casi n° 10 ÷ 11).

Nella Figura 6.8 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (caso n° 12), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.7 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B – C: fornitura di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore (TC = 60 °C) ed inoltre il titolo in uscita (punto C) è fissato pari ad uno (vapore saturo secco);

– Trasf. C – D: processo di espansione monofase;

– Trasf. D – E: cessione di potenza termica nello scambiatore di calore dal fluido di lavoro alla sorgente termica a bassa temperatura (quest’ultima avente TSB = 15 °C), in particolare la pressione associata allo scambio termico in esame coincide con la pressione di vapore saturo umido corrispondente alla temperatura pari a 25 °C ed inoltre la temperatura in uscita (punto E) è determinata in maniera tale che il titolo in uscita dal compressore (punto F) sia pari ad 1 (vapore saturo secco);

– Trasf. E – F: compressione monofase monostadio.

Figura 6.8. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (caso n° 12).

Nella Figura 6.9 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 13 ÷ 15), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.8 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B – C1: fornitura di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore (TC1 = 310 °C), inoltre il titolo in uscita (punto C1) è fissato pari a zero (liquido saturo nei casi n° 13 ÷ 14) oppure è fissato pari ad uno (vapore saturo secco nel caso n° 15). Nel primo caso hanno luogo il processo di espansione bifase (C1 – C2) ed il processo di espansione monofase (C2 – D1), nel secondo caso l’intero processo di espansione (C1 – D1) ha luogo nella fase del vapore surriscaldato;

– Trasf. D1 – D2: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nello scambiatore di calore (TD2 = 50 °C), in particolare la pressione associata allo scambio termico in esame coincide con la pressione di vapore saturo umido corrispondente alla temperatura pari a 25 °C ed inoltre la temperatura in uscita (punto E) è determinata in maniera tale che il titolo in uscita dal compressore (punto F) sia pari ad 1 (vapore saturo secco).

Figura 6.9. Nonano, comp. monofase, mod. H: diag. T-S (casi n° 13 ÷ 15).

6.3.3. Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Cooling