Chemical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

Full exam

Corso di Laurea Ing. Chimica, esame di Macchine e Sistemi Energetici, 6 febbraio 2023 Esercizio 1 (9 punti) Il circuito di lubrificazione in figura (in nero) opera in condizioni stazionarie e in esso circola olio (����������������� ��������, � �,� = ���� � �������������; ������ ������ =��� ������������/ �� ) destinato al raffreddamento della scatola ingranaggi �. Oltre a � il circuito è composto da una pompa ������ adiabatica e costituita da due stadi identici, da uno scambiatore di calore � che scambia calore con acqua e da una valvola di regolazione �, adiabatica. La pompa P opera a �=���� �������� ed è trascinata da un espansore � ad aria, adiabatico e che eroga una potenza �̇ �=� �������. L’accoppiamento meccanico espansore-pompa ha rendimento ������ �=�.��. Il circuito olio è disposto su un piano orizzontale. I tubi di connessione tra i componenti sono adiabatici di uguale diametro e con dissipazioni per attrito trascurabili (solo i tubi). Inoltre, sul ramo olio: -pressioni ingresso e uscita pompa ������������ �=� ��������; ������ �=� ��������; -modulo variazione di temperatura sullo scambiatore ��� °�; -modulo variazione di temperatura sulla valvola �������.�� °�; -dissipazione di energia specifica per attrito scambiatore ������� �=�� �/������������; -modulo potenza termica scambiata scatola ingranaggi��� ������� Si richiede di: a.determinare il rendimento della pompa ������; b.determinare la variazione di temperatura (con relativo segno) sulla scatola ingranaggi ������; c.stimare il diametro (scarico girante) per ciascuno stadio della pompa ������; d.determinare la curva caratteristica del circuito olio. Allegato: diagramma di Baljé per turbopompe. Esercizio 2 (8 punti) Uno stadio di turbo-compressore assiale (adiabatico) elabora argon (������������, gas perfetto, � = �. ��, �� = ��. �� �������/���������) aspirato alle condizioni totali � �� = �� °������, ������ �� = � ��������. Il rapporto di compressione total-total è � �� = �. �� e il rendimento isoentropico total-total è ������ �� = �. �� mentre la potenza assorbita è �̇ = �. � ������������. I parametri geometrici e operativi della girante sono: -direzione assoluta della corrente in ingresso alla girante puramente assiale (meridiana) ; -temperatura (statica) in uscita alla girante � �=�� °�; -diametro medio �=�.� �; velocit� di rotazione �= ���� ��������; -rapporto altezza di pala/diametro allo scarico della girante � �/�= �.��. Si richiede di: a.determinare la portata massica �̇ di argon circolante nello stadio e il triangolo di velocit� allo scarico della girante (disegno incluso); b.calcolare la pressione totale ������ �� allo scarico della girante; c.determinare l’altezza di pala � � in ingresso al rotore noto che la temperatura (statica) � � �= 5 °C. Esercizio 3 (9 punti) Il ciclo Rankine a vapor d’acqua in figura opera in condizioni stazionarie, è alimentato a olio combustibile ed è destinato alla produzione di una potenza elettrica pari a |�̇�|= 80 MW . La turbina è suddivisa in un corpo di alta pressione ( �������� ) e uno di bassa pressione ( �������� ). E’ presente 1 surriscaldamento e un solo rigene ratore a miscela costituito dal degasatore , che opera alla pressione �������������� = 5 bar . Il degasatore è alimentato da vapore saturo spillato allo scarico del corpo ������������� e ha perdite per attrito (linea di spillamento inclusa) trascurabili . I dati principali di impianto sono: - Pressione di evaporazione: �������������� = 100 bar . - Temperatura massima del ciclo: ��������� = 500 °C . - Pressione di condensazione: ���������� = 0.05 bar . - Rendiment o isoentropic o turbin a bassa pressione : �������������� = 0.88 . - Rendimenti pompe: pompa estrazione condensato �������������� = 0.75 ; pompa di alimento ������������������ = 0.80. - Rendimenti degli accoppiamenti meccanici e delle macchine elettriche unitari . - Rendimento del generatore di vapore : �������� = 0.96 . - Potere calorifico inferiore olio c ombustibile : ��� = 41 MJ/kg . Inoltre: - in ciascuna pompa s i assuma l’acqua come un liquido perfetto ; - si trascurino le perdite termiche al condensatore e nel degasatore; - si trascurino le perdite per attrito al condensatore e al generatore di vapore; - si trascuri la portata di gas/vapore rilasciata in ambiente al degasatore. Si richiede di : a. calcolare la frazione ������ della portata massica �̇������ prodotta al generatore di vapore che viene spillata (a scarico ������������� ) per alimentare il degasatore ; b. calcolare la po rtata massica di combustibile consumata �̇�������������� ; c. calcolare il rendimento elettrico di impianto dando una giustificazione al valore ottenuto. Allegati per il vapor d’acqua: tabelle in saturazione e in vapore surriscaldato ( ������ in ������������������ ). Domanda 1 (3 punti) Si consiedrino moderni sistemi Rankine a vapor d’acqua e turbogas di grande taglia : a. si confrontino le prestazioni raggiungibili (indicando valo ri ragionevoli per i parametri di merito) e si illustri no il principale vantaggio e il principale svantaggio di ciascuno dei due sistemi; b. si dica nei due casi, e in riferimento alle temperature massime raggiungibili, quali sono le ragioni fondamentali che permetto di ottenere le prestazioni sopra descritte; c. si indic hi, nei due casi e motivando la risposta, che ruolo ha la pressione minima del ciclo. Domanda 2 (1 punto) Si spieghi la principale funzione del degasatore in un ciclo Rankine a vapor d’acqua e si dica a che pressione può operare (max 150 parole). Domanda 3 (1 punto) Si disegnino palettature e triangoli di velocità rappresentativi di uno stadio di turbina assiale a gas con elevato rendimento.