Obiettivi formativi
Al termine del corso lo studente sarà in grado di
- conoscere le basi della conversione dell'energia nei sistemi energetici;
- conoscere i tipi e le prestazioni delle macchine a fluido motrici ed operatrici;
- saper valutare le prestazioni dei sistemi energetici al variare dei parametri operativi;
- saper scegliere le macchine a fluido in funzione della specifica applicazione.
Prerequisiti
Conoscenze maturate nel corso di Fisica Tecnica.
Contenuti dell'insegnamento
Fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. Impianti a vapore, impianti turbogas e motori endotermici alternativi. Impianti combinati. Cogenerazione.
Macchine motrici e operatrici: architettura, principi di funzionamento e prestazioni. Impianti per la conversione di fonti rinnovabili.
Programma esteso
Presentazione del corso. Richiami di termodinamica. Bilancio di massa. Bilanci di energia per sistemi aperti e chiusi. Equazione energetica del moto dei fluidi in forma entalpica e meccanica. (2 ore)
Calori specifici a volume costante e a pressione costante. Trasformazioni del gas ideale. Lavoro della trasformazione. Unità di misura delle grandezze termodinamiche (sistema internazionale, sistema tecnico e unità di uso industriale). Esercizi numerici. (2 ore)
Calcolo delle proprietà termodinamiche di aria e acqua. Esempi numerici. (2 ore)
La combustione degli idrocarburi. Calcolo della massa d'aria stechiometrica e dell'eccesso d'aria. Valutazione del potere calorifico inferiore e superiore con le entalpie di formazione e con le frazioni in massa. Esempi numerici. (2 ore)
Introduzione ai turbogas. Il turbogas semplice e i suoi componenti (filtro, compressore, camera di combustione, turbina, camino e utilizzatori). (2 ore)
Il ciclo di Brayton ideale e reale. Lavoro utile e rendimento. Effetto della variazione del rapporto di compressione e della temperatura massima del ciclo. (2 ore)
Trasformazioni reali nell'impianto turbogas (perdite di carico in filtro, camera di combustione e camino, variazione della portata e della composizione del fluido a seguito della combustione). (2 ore)
Varianti impiantistiche per il miglioramento delle prestazioni (rigenerazione, interrefrigerazione, post-combustione). Esercizio numerico. (2 ore)
L'avviamento del turbogas. Introduzione agli impianti a vapore: i componenti e la rappresentazione del ciclo nel diagramma T-s dell'acqua. (2 ore)
Rendimento e potenza di un impianto a vapore. Effetto della pressione di condensazione, della pressione di vaporizzazione e della temperatura di surriscaldamento sulle prestazioni di un impianto a vapore. (2 ore)
Il risurriscaldamento e la rigenerazione in impianti a vapore. (2 ore)
Analisi termodinamica di un impianto a vapore con tre spillamenti. Considerazioni riguardo la regolazione e l'avviamento di un impianto a vapore. I combustibili utilizzati negli impianti a vapore. (2 ore)
Esercizio su ciclo a vapore con surriscaldamento. Introduzione ai motori endotermici alternativi. (2 ore)
Architettura dei motori a combustione interna e classificazioni. Diagramma di indicatore e cicli (Sabathé, Otto e Diesel). (2 ore)
Espressione del rendimento termodinamico, lavoro termodinamico, lavoro indicato, lavoro effettivo, pressione media indicata, pressione media effettiva, potenza e coppia per motori a combustione interna. Cenni sui banchi prova e curve caratteristiche. (2 ore)
Esercizi numerici sui motori a combustione interna. Considerazioni riguardo il calore scaricato mediante fumi, acqua di raffreddamento e intercooler e il suo potenziale recupero. (2 ore)
Architettura degli impianti combinati gas-vapore. Architettura degli impianti cogenerativi con turbina a gas, motore a combustione interna e a vapore (contropressione e derivazione). Introduzione agli indici della cogenerazione. (2 ore)
L'Indice di Risparmio Energetico (IRE) o Primary Energy Saving (PES), l'Indice di Risparmio, il rendimento di primo principio e l'indice elettrico e il loro significato. Definizione e classificazione delle macchine a fluido. (2 ore)
L'energia idraulica: introduzione, richiami sulle prestazioni degli impianti idroelettrici. La classificazione degli impianti idroelettrici. I componenti degli impianti idroelettrici. Le turbine idrauliche. (2 ore)
La radiazione solare. Introduzione ai sistemi solari fotovoltaici, l’effetto fotovoltaico. La giunzione PN. Le prestazioni delle celle fotovoltaiche e degli impianti. (2 ore)
Introduzione alle filiere bio-energetiche. La digestione anaerobica, il biogas e il biometano. Il processo di combustione e di gassificazione delle biomasse solide. (2 ore)
Classificazione delle turbomacchine. Teorema PI-GRECO, analisi dimensionale del fluido in un condotto. Similitudine nelle turbomacchine. (2 ore)
Punto di funzionamento di una turbopompa ed esercizio. Curve caratteristiche delle pompe. Cavitazione e adescamento .Velocità specifica e scelta dell'architettura. Pompe in serie e in parallelo. Pompe volumetriche. (2 ore)
Ventilatori: architetture, mappe di prestazione e procedura di scelta. Cenni su macchine idrauliche motrici (ruota Pelton, turbine Francis e Kaplan, turbine eoliche). Compressori dinamici (centrifughi e assiali) e volumetrici (alternativi e rotativi) e loro mappe di prestazione (blocco sonico, pompaggio e stallo). Cenni su macchine termiche motrici dinamiche e volumetriche. (2 ore)
Bibliografia
Sistemi energetici e macchine a fluido / Giorgio Negri di Montenegro, Michele Bianchi, Antonio Peretto
Bologna: Pitagora, 2009
Per approfondire:
Macchine a fluido / Vincenzo Dossena et al.
Torino: Città studi, 2015
Esercitazioni di sistemi energetici / Carlo Carcasci, Bruno Facchini
Bologna: Esculapio, 2016
I testi sono presenti nella Biblioteca Centrale di Scienze e Tecnologie.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
Il corso prevede lo svolgimento di alcune esercitazioni numeriche per esemplificare gli argomenti illustrati durante le lezioni teoriche e fornire le indicazioni riguardanti gli aspetti progettuali dei sistemi energetici
Modalità verifica apprendimento
L'esame è scritto ed è composto da
- un esercizio;
- cinque domande strutturate;
- due domande aperte.
L'esame è superato se l'esercizio è risolto correttamente e si consegue un punteggio minimo di 4 nelle domande strutturate.
Altre informazioni
Si consiglia la frequenza delle lezioni.
Gli studenti non frequentanti sono invitati a consultare la piattaforma Elly sulla quale verranno periodicamente elencati gli argomenti effettivamente svolti a lezione.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
