La rigenerazione nelle turbine a gas - materiale didattico

Quanto segue costituiva la base di una lezione sulla rigenerazione nelle turbine a gas tenutasi in Ottobre, di cui sono già state pubblicate le slide. Il materiale qui pubblicato non si sostituisce in alcun modo ai testi ed appunti proposti nei corsi di laurea in cui si studiano le turbine a gas.  Grafici ed immagini relativi a quanto di seguito riportato sono disponibili al link precedentemente indicato. 

Per quanto riguarda i cicli base ideali,  può apparire strano che il rendimento di una turbina a gas sia confrontabile con quello di un impianto a vapore, anche se le temperature in gioco sono di gran lunga superiori.

Le temperature massime del vapore surriscaldato raggiungono gli 800 K, mentre in genere vengono superati i 1200-1300 K come valore di picco nel  ciclo Brayton.
E' evidente che, a riequilibrare verso il basso ed a essere il grande limite delle turbine a gas, è l'elevata temperatura media di sottrazione di calore, superiore almeno di 100-150 K rispetto a quella di un classico ciclo con turbina a vapore a condensazione.

Appare pertanto necessario che per migliorare le prestazioni di un impianto basato su turbine a gas, sia per quanto riguarda il rendimento che per quanto riguarda le potenze in gioco, vanno adottati cicli complessi o cicli combinati.

In questa sede si discuterà esclusivamente dei cicli complessi.

I due fattori che influenzano in maniera fortemente negativa il ciclo di riferimento, per quanto riguarda le turbine a gas ed in confronto a quanto accade con quelle a vapore, sono

1)  l'elevata Temperatura media di sottrazione di calore che obbliga ad avere un'elevata temperatura media di adduzione di calore

2)  il fatto che buona parte del lavoro della turbina serva a compensare il lavoro del compressore

E' evidente, come già visto in altri casi, che, a differenza di quanto accada con una turbina a vapore, il fatto che il fluido evolvente sia ARIA/GAS fa sì che il lavoro di compressione diventi una voce importante nel bilancio energetico.

Una prima e fondamentale modifica che si può addurre al ciclo Brayton è quella di prevedere la RIGENERAZIONE.
A differenza di quanto accade nel caso della turbina a vapore, tale scelta impiantistica non comporta, nel caso ideale come nel caso reale, a meno di un'aumento delle perdite di carico, alcun peggioramento dal punto di vista delle potenze, ma influisce eslcusivamente sul rapporto fra le temperature in gioco.

In tal modo posso migliorare il rapporto fra le temperature medie, senza salire troppo con il rapporto di compressione.

La rigenerazione può essere vista come una sorta di "recupero interno" dato che sfrutto l'entalpia dei gas di scarico, ancora ad elevata temperatura, per preriscaldare l'aria  all'uscita dal compressore prima che questa giunga in camera di combustione.

Per poter avere un ciclo rigenerativo è ovvio che il presupposto essenziale è che la Temperatura all'uscita dalla Turbina sia maggiore di quella all'uscita del compressore: ne consegue che, ricordando che il rapporto di compressione equivalente alle condizioni di massimo lavoro è quello corrispondente a T2=T4, che ha senso far rigenerazione, nel caso ideale, per rapporti  di compressione BETA inferiori del BETA di massimo lavoro.

Nel caso ideale si può tranquillamente ipotizzare che:

1)  non vi siano perdite di carico

2) Tutta la quantità di calore disponibile fra T4 e T2 sia recuperabile

Lo scambiatore di calore rigenerativo pertanto ha comportamento ideale, e la potenza recuperata sarà pari a quella riportata in equazione e la temperatura del gas freddo in uscita ( aria) sarà pari a quella iniziale del gas caldo ( gas combusti) e viceversa.  T2r = T4, T4r = T2r

Per le formule consultare il file pdf

La rigenerazione comporta, a patto di sottostare alle condizioni sopra riportate, un aumento del rendimento in quanto diminuiscono sia la quantità di calore necessaria a raggiungere la T3, ovvero la temperatura di ingresso in turbina, ( in fase di adduzione di calore) che in fase di sottrazione di calore la quantità necessaria a riportare, in ambiente, la temperatura alla T1 (temperatura ambiente).

Il rendimento sarà pertanto maggiore di quello del ciclo semplice a patto che, come già scritto, si sia nelle condizioni per le quali abbia senso rigenerare.

Il risultato è facilmente apprezzabile: si ottengono per bassi rapporti di compressione  valori di rendimento altrimenti raggiungibili solamente per elevati rapporti di compressione.
guardando i grafici va ricordato che:
1)  Il rendimento aumenta con il rapporto TETA delle temperature (T3/T1).
2) Nel diagramma in scala logaritmica appare evidente come le curve di rendimento siano speculari a quelle del ciclo semplice.  
3) Affinchè la rigenerazione sia efficace, bisogna allontanarsi dalle condizioni di massimo lavoro utile, anche se la rigenerazione nel caso ideale non influisce sui lavori di compressione ed espansione.
Riassumendo in breve, si può dire che, nel caso IDEALE, la rigenerazione comporta l'atteso miglioramento del rendimento grazie alla riduzione del rapporto fra le temperature medie di adduzione e sottrazione di calore senza creare condizioni per avere riduzione dei lavori di compressione o di espansione.
Come nel caso ideale, nel caso reale la possibilità di far rigenerazione è legata di una differenza di temperatura positiva T4 e T2.  Ovviamente nel caso reale, oltre alle temperature ed al rapporto di compressione, assumono importanza anche i rendimenti interni di compressori e turbine.
La differenza fra le temperature T4 e T2 risulta essere proporzionale alla massima quantità di calore recuperabile. Appare evidente che nel caso reale, essendo state introdotte le prevedibili irreversibilità del sistema, calore recuperabile non corrisponde a calore recuperato, in quanto è fisicamente impossibile ottenere uno scambiatore di calore che possa portare la temperatura del fluido freddo in uscita a valori pari a quella del fluido caldo in uscita. Tale scambiatore dovrebbe avere infatti superficie di scambio infinita.
E' pertanto utile definire un parametro R che sia indice dell'efficienza della rigenerazione.
Nella scelta del rigeneratore va fatta un'opportuna analisi costi/benefici in quanto assieme all'efficienza R va tenuto conto del costo da sostenere per ottenerla.
A differenza del caso ideale, nel caso reale è possibile che avvenga una riduzione del lavoro utile, a causa delle perdite di carico introdotte dalla presenza dello scambiatore: il rapporto di espansione potrà pertanto risultare diminuito, a parità di rapporto di compressione.
Da quanto visto sia nel caso ideale che nel caso reale, si può tranquillamente asserire che la rigenerazione è di fondamentale importanza allorquando si debba operare con rapporti di compressione bassi.  Nei casi limite di impianti di piccola taglia, quali le micro turbine a gas, che hanno potenze dell'ordine dei 30-200 kW, solo la presenza del rigeneratore, con efficienza elevata, può garantire rendimenti dell'impianto confrontabili con quelli di motori alternativi a c.i. di pari taglia.
Le prestazioni degli scambiatori di calore tendono a peggiorare nel tempo, a causa sopratutto di depositi di particolato solido contenuto nei gas combusti, il che provoca riduzione delle aree di passaggio e diminuzione dei coefficienti di scambio termico.

Limiti alla circolazione veicolare a Napoli e normative anti inquinamento

 Trattandosi di  temi che riguardano contestualmente Napoli ed il mondo dei motori, in via del tutto eccezionale questo intervento è presente sia sul laboratorio napoletano che su ingegnerianapoli, il mio blog "tecnico" che curo oramai da tempo. La seconda parte dell'intervento riporta infatti numeri e grafici riguardanti le normative attualmente in vigore, per motori diesel o benzina.

Come consuetudine domani - mercoledì 20 - entrerà in vigore la oramai classica limitazione al traffico veicolare nel territorio cittadino di Napoli.  Quella che a prima vista sembra una restrizione molto forte ( sui tabelloni luminosi in tangenziale e sui tabelloni dell'ANM ad ogni fermata di autobus c'è scritto in sostanza che solo le autovetture ad emissioni nulle o EURO 4  o alimentate a metano / gpl possono circolare e solo i motoveicoli EURO 2 o 3), in realtà (leggere ordinanza sindacale) offre diverse scappatoie accessibili anche a chi non ha nel proprio "parco autovetture" veicoli di nuova concezione. Infatti, a ben leggere, possono circolare autovetture euro 2 od euro 3, purchè in macchina vi siano almeno tre persone (car - pooling ) o purchè l'abitazione del proprietario del veicolo sia dotata di una "certificazione energetica".  Inoltre, stante la non piccola differenza in termini di emissioni inquinanti, se l'ordinanza è particolarmente restrittiva nei confronti dei motocicli due tempi, di contro tutte le motociclette e scooter 4 tempi possono circolare tranquillamente, senza violare alcuna norma.   Invito alla lettura dell'ordinanza sindacale perchè, accanto a quanto appena scritto, che segue in maniera abbastanza coerente ragionamenti riguardanti le emissioni inquinanti, vi sono altre deroghe che non hanno molto senso ( fino a quattro veicoli per ogni matrimonio /battesimo/funerale a patto di inoltrare un fax sottoscritto dal parroco/ufficiale di stato civile ), alcune che di fatto riducono la potenza del blocco ( I non residenti a bordo di auto "non residenti" possono circolare, così come i giornalisti,  i fotografi, i medici o chiunque stia trasportando materiale deperibile (pasticcerie ?) e financo chi utilizza auto a nolo)  e che sinceramente, essendo il blocco di poche ore, potrebbero essere evitate.

Il blocco, in vigore domani dalle 7.30 alle 11.30, a quanto si apprende dai quotidiani, dovrebbe essere esteso a due giorni a settimana per il mese di Febbraio, nella speranza che questo possa contribuire a migliorare la qualità dell'aria che respiriamo.

Per quanto riguarda il provvedimento in vigore attualmente, di cui si è appena scritto sopra, vanno fatte alcune valutazioni riguardanti l'opportunità di concedere alcune deroghe.  A sinistra è disponibile ( fonte wikipedia, immagine di pubblico dominio) un grafico da cui si evince immediatamente quanto, in termini di emissioni di ossidi di azoto (NOx) , sia la riduzione di emissioni inquinanti per chi utilizza una Euro IV rispetto a veicoli meno recenti.  Le automobili che montano motori ad accensione comandata (nel gergo comune motori a benzina)  immatricolate dopo il 2005 hanno un limite di 0.08 grammi di ossidi di azoto emessi ogni chilometro, la metà rispetto a quelle immatricolate nel rispetto della normativa Euro III (0.15 g/km NOx) e quasi un ordine di grandezza in meno rispetto a quelle precedenti (Euro II - 0.5 g/km).  Ne consegue che il "car pooling", per quanto interessante ed efficace in termini di riduzione del traffico e, quindi, riduzione dei tempi di percorrenza ( a vantaggio quindi della riduzione delle emissioni inquinanti), permette di introdurre in circolazione, nonostante il divieto, una vettura euro II con tre persone a bordo che inquina oltre SEI volte in più di una Euro IV, ovvero il DOPPIO rispetto a tre vetture Euro IV con una sola persona in macchina.  Sarebbe quindi il caso di ridurre questa possibilità alle sole Euro III, almeno per quanto riguarda i motori a benzina, anche se, con tale deroga, di fatto si dà la possibilità di ridurre le emissioni in atmosfera di CO2 (un auto vecchia al posto di tre ipotetiche vetture nuove) .    Diverso il discorso da fare con i motori ad accensione per compressione (definiti comunemente "Diesel"). Dal grafico a destra si evince facilmente che, oltre ai problemi relativi alle emissioni di NOx, va fortemente presa in considerazione la necessità di ridurre il particolato. La normativa prevede un limite su quelle che vengono "siglate" PM10, ovvero quelle polveri sottili il cui diametro sia inferiore a 10 micronmetri. Rimando ai link a wikipedia per la descrizione di quanto tali polveri siano dannose per l'uomo e per comprendere quanto la normativa, in questi termini, sia ancora fortemente carente, dato che andrebbe valutato - non è facile e non è immediato - un valore massimo di emissioni non solo in termini di PM10 ma anche e sopratutto in termini di PM2.5 o inferiori, dato che più si entra nel campo delle nanoparticelle maggiori sono i rischi legati all'inalazione di queste da parte dell'uomo.  Del resto, come è noto, già oggi in molte città italiane il limite imposto dall' Euro IV è di fatto superato, dato che vengono richiesti per circolare, qualora si vogliano utilizzare motori diesel, dei particolari filtri anti particolato (FAP) che abbattono le emissioni di polveri.