Versione con evaporatore separato

In questa configurazione l’acqua di mare calda prelevata è separata in tre flussi. In parte è usata per alimentare un classico sistema OTEC per la produzione di potenza, in parte è utilizzata come portata di alimento del sistema MED e la parte rimanente viene nuovamente divisa, una parte è utilizzata per alimentare l’evaporatore della pompa di calore, la rimanente è scaldata nel condensatore per poi essere inviata al sistema di dissalazione come fonte di calore primaria. Il sistema di dissalazione è si- mile ad un MED a 3 effetti con alimentazione in parallelo a bassa temperatura, eccetto per il fatto che la fonte di calore primaria non è vapore di processo ma vapore ottenuto dall’acqua di mare in uscita dalla pompa di calore che viene fatta espandere in una camera a pressione inferiore a quella atmo- sferica dove evapora parzialmente per flash. Il vapore prodotto condensando fornisce calore per il 1° stadio del MED. È inoltre presente un circuito di ricircolo della brina, che in uscita dal primo separa- tore si miscela all’acqua in ingresso alla pompa di calore incrementandone la temperatura. All’uscita dell’ultimo effetto del sistema MED, dal vapore acqueo vengono espulsi i gas incondensabili grazie ad un compressore. Il vapore viene poi fatto condensare in uno scambiatore alimentato dall’acqua di mare fredda in uscita dal condensatore del ciclo OTEC, dove è stata utilizzata per condensare il fluido organico.

3.4. ANALISI PRELIMINARE · OTEC - PDC - MED

L’ottimizzazione termodinamica eseguita aveva lo scopo, di massimizzare il rendimento di se- condo principio e minimizzare il consumo specifico definiti dalle formule (3.36) e (2.2). Inizialmente erano previste più ottimizzazioni, ognuna con un valore di potenza netta prodotta diverso (0; 2,5; 5; 7,5; 10 MW). Dato lo scarso risultato ottenuto con la prima ottimizzazione (Potenza netta 0 MW), nonostante i vari accorgimenti attuati per migliorare i parametri del sistema, come il ricircolo del- la brina e altre configurazioni alternative del primo effetto del sistema MED, è stato deciso di non proseguire ulteriormente, spostando l’attenzione su un sistema più economicamente e termodina- micamente attuabile come quello che prevede il sistema OTEC abbinato alla dissalazione con reverse osmosis.

Configurazione del sistema

Il fluido scelto per il sistema è stato ammoniaca, sia per il ciclo OTEC che per la pompa di calore. Questo perché l’ammoniaca da letteratura risulta il fluido più performante per i sistemi OTEC.

Come già detto, dato che l’ammoniaca nell’OTEC e nella pompa di calore è in cambiamento di fase sia nel condensatore che nell’evaporatore e, quindi, con coefficienti di scambio elevati, si è imposto un pinch point minimo abbastanza basso e pari a 2°C. Lo stesso si è fatto con l’acqua negli scambiatori del sistema MED,

Temperature e pressioni del sistema MED Il sistema MED è dimensionato in modo da avere una produzione di acqua dolce che compra il fabbisogno della popolazione di San Blas. È stato deciso di portare la temperatura di uscita dalla pompa di calore a 60°C. Parte del salto termico che si ha tra la temperatura di uscita dalla pompa di calore e l’acqua di mare fredda è perso nel primo flash per ottenere il vapore necessario a riscaldare il primo effetto. In uscita dal flash ed in ingresso al sistema MED infatti si ha una temperatura di 40°C (TBT), temperatura minore rispetto alle massime tollerabili dagli impianti MED (70°C). Si è scelto di non incrementare ulteriormente la temperatura dell’acqua per non avere spese troppo ingenti dovute alla pompa di calore. Il sistema di dissalazione risulta quindi a bassa temperatura. Il ∆T è assunto uguale per tutti gli effetti e questo porta, avendo scelto un numero di effetti pari a 3 per avere almeno 5 °C di salto termico tra uno e l’altro, ad un ∆T effettivo che è dato da:

∆Tstadio=

T BT − BBT

n − 1 (3.39)

dove n è il numero degli stadi.

La pressione nelle camere è calcolata in modo che, sfruttando tutto il calore latente del vapore condensante dell’effetto precedente, si abbia un titolo dell’acqua di mare entrante, tale che non si superi, nella frazione liquida, la salinità massima consentita alla temperatura dello stadio. La salinità massima oltre la quale si ha precipitazione, espressa in ppm, ad una certa temperatura è data dalla

3.4. ANALISI PRELIMINARE · OTEC - PDC - MED formula seguente [7]:

e

S(T [°C]) = 4, 71166 · 10−3T4− 1, 74116T3_{+ 253.842T}2_{− 17922.8T + 565818 (3.40)}

La massima frazione di vapore ottenibile in un effetto prima che si raggiunga la salinità mas- sima calcolata con la 3.40, si ottiene risolvendo l’equazione implicita che deriva da un bilancio sul separatore: xvap+ Nsw,in,limite Nsw,in = 1 (3.41) dove

− xvapè la frazione molare di vapore massima

− Nsw,insono le moli di acqua di mare in ingresso nell’effetto alla salinità dell’acqua superficiale

− N_sw,in,limitesono le moli di acqua di mare in cui si ha la salinità massima data una quantità di sale uguale a quella contenuta in Nsw,in

sostituendo a Nsw,inl’espressione_{M M}msw,in_sw,sup, e sostituendo a Nsw,in,limitel’espressione msw,in·ysup e

S·M Msw,max

si ottiene:

xvap= 1 −

msw,in·ysup

e S·M Msw,max msw,in M Msw,sup (3.42) dove

− msw,inè la portata massica di acqua di mare in ingresso nell’effetto

− M Msw,supè la massa molare dell’acqua di mare superficiale

− ysupè la salinità dell’acqua di mare superficiale

− eS è la salinità massima ad una data temperatura

− M M_sw,maxè la massa molare dell’acqua di mare alla salinità massima

Si risolve iterativamente andando ad inserire la frazione di vapore ottenuta dall’equazione (3.42), nello stream corrispondente in Aspen HYSYS, il programma poi calcolerà nuovamente le variabili ottenendo una frazione di vapore massima diversa, fino ad arrivare a convergenza. Calcolo potenza estrazione incondensabili Per il calcolo della potenza del sistema di estrazione degli incondensabili ci si è riferiti alla metodologia utilizzata in [36]. È stato calcolato il volume complessivo dei gas da estrarre nell’ultimo stadio, prima del condensatore, grazie alla formula:

3.4. ANALISI PRELIMINARE · OTEC - PDC - MED V = RT P   mvap M Mvap + mN C M MN C + mair M Mair  (3.43) dove

− T e P sono le condizioni del gas nel condensatore.

− m_vap è il vapore perso all’esterno durante il processo, pari allo 0,3% del flusso di acqua dissalata.

− mN Csono i gas incondensabili liberati, principalmente O2e N2. La portata è data dal prodotto

tra la quantità di gas liberati per kg di acqua e la portata di acqua.

− mairrappresenta le infiltrazioni di aria nel sistema, sono circa un ottavo dei gas incondensabii

secondo [36].

− MM sono le masse molari di vapore, incondensabili e aria. I gas incondensabili presenti nell’acqua di mare sono stimati essere:

Componente ppm presenti ppm liberati

per kg di acqua per kg di acqua

N2 12,9 12,6

O2 8,3 8,1

Ar 0,4 0,4

CO2 0.5 0.5

Tabella 3.2: Gas incondensabili liberati dall’acqua di mare alla pressione del condensatore [19]

Una volta nota la portata volumetrica calcolata con (3.43), l’elemento compressore di Aspen HYSYScalcola la potenza necessaria all’estrazione dei gas dato il ∆P.

Calcolo del rendimento e del consumo specifico Una volta note le perdite di pompaggio del- l’acqua di mare e del ciclo OTEC, il consumo del sistema di estrazione degli incondensabili, il con- sumo della pompa di calore ed il consumo della pompa di ricircolo della brina e il consumo della pompa per l’acqua dissalata si può procedere al calcolo della potenza che deve sviluppare la turbina del sistema OTEC per avere la potenza netta globale voluta.

Pnetta=

X

i

3.4. ANALISI PRELIMINARE · OTEC - PDC - MED Per arrivare al valore di potenza netta voluto bisognerà procedere in modo iterativo, in quanto un aumento della potenza della turbina dell’OTEC porta ad un incremento della spesa delle pompe dell’OTEC stesso.

Una volta ottenuta la potenza netta desiderata è possibile calcolare il rendimento di secondo principio complessivo andando ad utilizzare la formula (3.36) definita in precedenza, di cui sono noti i termini al numeratore. Per i termini al denominatore si utilizzano le exergie dell’acqua in ingresso all’evaporatore e al condensatore dell’OTEC, oltre a quella in ingresso nella pompa di calore, calcolate con (3.9). Nel caso di ottimizzazione del consumo specifico si utilizza la formula (2.2) dove il numeratore comprende la potenza della pompa di calore, di estrazione degli incondensabili e di ricircolo della brina, mentre il denominatore indica la quantità di acqua dissalata prodotta.

Per l’ottimizzazione sono stati imposti diversi vincoli e sono state definite le variabili "adju- stable". Di seguito si riportano le tabelle riassuntive di questi parametri, dove con T è indicata la temperatura e con P la pressione dello stream.

Vincoli

Nome Nome identificativo Vincolo

schema Aspen

Pinch point evaporatore OTEC E-100 > 2°C

Pinch point condensatore OTEC E-101 > 2°C

Pinch point evaporatore PdC E-102 > 2°C

Pinch point condensatore PdC E-103 > 2°C

Pinch point Condensatore MED E-106 > 2°C

Pinch point 1° effetto MED E-107 > 2°C

Pinch point 2° effetto MED E-108 > 2°C

Pinch point 3° effetto MED E-109 > 2°C

Titolo vapore condensante 1° effetto 44 <0

Titolo vapore condensante 2° effetto 21 <0

Titolo vapore condensante 3° effetto 67 <0

Salinità acqua ingresso 1° effetto 49 <189000 ppm

Salinità acqua ingresso 2° effetto 54 <230300 ppm

Salinità acqua ingresso 3° effetto 63 <281600 ppm

Acqua dolce prodotta 35 >18,5 Kg/s

Potenza netta - =0 kW

3.4. ANALISI PRELIMINARE · OTEC - PDC - MED

Adjusted Variables

Nome Nome identificativo

schema Aspen

T ingresso turbina OTEC 5

Potenza turbina OTEC K-100

P uscita turbina OTEC 6

Portata acqua calda OTEC 2

Portata acqua fredda OTEC 10

P ingresso compressore PdC 15

P uscita compressore PdC 16

Portata PdC 16

Profondità tubo acqua fredda -

T uscita acqua condensatore PdC 19

Portata acqua evaporatore PdC 3

Portata ingresso condensatore PdC 14

TBT 41

Titolo vapore ingresso 1° effetto 49

Titolo vapore ingresso 2° effetto 54

Titolo vapore ingresso 3° effetto 63

BBT 63

Portata di ricircolo TEE-103

Portata acqua ingresso 2° effetto 47

Portata acqua ingresso 3° effetto 59

Tabella 3.4: Elenco delle Adjusted Variables e loro nome identificativo nel caso "evaporatore separato"