Obiettivi formativi
Il modulo di insegnamento si propone di fornire al livello di base le conoscenze e le abilità (ossia le capacità di applicare le conoscenze) necessarie alla valutazione delle caratteristiche operative e delle prestazioni dei Sistemi per generazione e la conversione dell’energia, con particolare riguardo agli impianti motori oggi più diffusi (impianti a vapore, gruppi turbogas, motori a combustione interna alternativi). Al fine di sviluppare le competenze di soglia -comunque indispensabili- richieste nella valutazione delle prestazioni di qualsiasi impianto termico per la generazione e la conversione dell’energia, allo studente si chiede di dimostrare entro la fine del modulo il raggiungimento dei seguenti obiettivi.
Conoscenze e capacità di comprendere:
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di conoscere le principali caratteristiche dei sistemi per la generazione di energia e dei principali impianti motori primi oggi utilizzati. Avrà inoltre acquisito le conoscenze relative alla valutazione delle trasformazioni termodinamiche, alla loro rappresentazione sui piani termodinamici più utilizzati, al calcolo dei parametri termodinamici e degli scambi di lavoro e di calore sia con riferimento al caso ideale che reale. Conoscerà quindi i problemi, i limiti, i vantaggi e gli svantaggi dei diversi impianti motori trattati e dei loro principali componenti.
Competenze:
Lo studente sarà in grado di effettuare un calcolo di massima delle prestazioni degli impianti motori primi con particolare riferimento all'efficienza ed al consumo specifico di combustibile. Sarà inoltre in grado di definire l'andamento delle trasformazioni termodinamiche ideali e reali che avvengono negli impianti motori e nei loro componenti al fine di valutare in maniera qualitativa e quantitativa gli stati termodinamici nei diversi punti dell'impianto nonché le soluzioni per migliorarne le prestazioni.
Autonomia di giudizio:
Lo studente disporrà degli strumenti e delle conoscenze necessarie per valutare e confrontare in maniera critica soluzioni diverse per la realizzazione di specifici processi di conversione dell'energia nei Sistemi energetici motori sulla base dei principali parametri prestazionali usualmente utilizzati allo scopo e tenendo conto delle alternative eventualmente possibili.
Capacità comunicative:
Lo studente possederà gli strumenti necessari per presentare in maniera efficace valutazioni e confronti di soluzioni diverse per la realizzazione di specifici processi di conversione dell’energia nei Sistemi energetici motori attraverso una rappresentazione sia grafica che numerica delle trasformazioni e dei cicli termodinamici nonché dei principali parametri prestazionali usualmente utilizzati allo scopo.
Capacità di apprendimento:
Lo studente sarà in grado, utilizzando le conoscenze di base impartite nel corso, di acquisire autonomamente le informazioni, le caratteristiche, i dati tecnici su Sistemi Energetici diversi che possano essere studiati e/o proposti sul mercato mantenendo così aggiornate le proprie competenze in merito alle soluzioni proposte e/o applicate per la realizzazione e la gestione dei Sistemi Energetici.
Prerequisiti
La frequenza al corso richiede conoscenze di base di Analisi Matematica, Fisica, Termodinamica (Fisica Tecnica) e Meccanica dei Fluidi.
Contenuti dell'insegnamento
Consumi energetici in Italia e nel mondo: fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. I sistemi energetici e le macchine a fluido: tipologia e classificazione. Impianti a combustione interna ed esterna. Richiami di termodinamica. Applicazioni delle equazioni fondamentali. Cenni allo sfruttamento dell'energia idraulica. Sfruttamento dell'energia dei combustibili. Cicli e pseudocicli termodinamici. Cicli ideali, limite e reali. Catena dei rendimenti, consumo specifico. Costo dell'energia, coefficiente di utilizzazione.
Andamento della compressione e dell'espansione sui piani termodinamici.
Impianti motori a vapore: circuito elementare, cicli a vapor saturo e surriscaldato. Generatori di vapore: surriscaldatori ed economizzatori, preriscaldatori d'aria. Il condensatore e le torri di raffreddamento. Il degasatore. La rigenerazione ed il risurriscaldamento. Cicli termodinamici. Calcolo delle prestazioni di impianti a vapore ed ottimizzazione.
Motori a combustione interna alternativi (MCI). Principi di funzionamento e componenti fondamentali. Cicli termodinamici ideali. Potenza, pressione media effettiva, coefficiente di riempimento. Cenni ai processi di combustione e di alimentazione di aria e combustibile nei MCI. Cenni alla turbosovralimentazione.
Turbine a gas: cicli di riferimento, rendimento e lavoro unitario, ottimizzazione. Rapporto aria- combustibile, camere di combustione. Cicli termodinamici. Calcolo delle prestazioni di cicli a gas semplici e rigenerati ed ottimizzazione. La temperatura di ingresso turbina (TIT).
Parametri fondamentali per la caratterizzazione delle prestazioni delle macchine a fluido: cenni all’analisi dimensionale, gruppi adimensionali, curve caratteristiche.
Programma esteso
Consumi energetici in Italia e nel mondo: fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. I sistemi energetici e le macchine a fluido: tipologia e classificazione. Impianti a combustione interna ed esterna. Richiami di termodinamica: 1° e 2° principio, gas e vapori, piani termodinamici e loro utilizzo. Il piano di Mollier. Applicazioni delle equazioni fondamentali: continuità, energia e quantità di moto. Cenni allo sfruttamento dell'energia idraulica. Sfruttamento dell'energia dei combustibili: processi di combustione e proprietà dei combustibili. Bilanci di massa, composizione dei prodotti, rapporto aria/combustibile. Cicli e pseudocicli termodinamici: rappresentazione sui piani termodinamici, trasformazioni termodinamiche, calcolo degli scambi di lavoro e di calore. Cicli ideali, limite e reali. Catena dei rendimenti, consumo specifico. Costo dell'energia, coefficiente di utilizzazione.
Andamento della compressione e dell'espansione sui piani termodinamici; rendimenti di compressione e di espansione.
Impianti motori a vapore: circuito elementare, cicli a vapor saturo e surriscaldato. Generatori di vapore: tipologia e schemi di massima. Rendimento del generatore di vapore. Surriscaldatori ed economizzatori. Preriscaldatori d'aria. Il condensatore e le torri di raffreddamento. Il degasatore. La rigenerazione ed il risurriscaldamento. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di impianti a vapore in ciclo semplice, risurriscaldati e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a vapore con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento.
Motori a combustione interna alternativi (MCI). Principi di funzionamento e componenti fondamentali. Cicli termodinamici ideali. Calcolo della potenza nei motori a combustione interna. Pressione media effettiva. Coefficiente di riempimento. Cenni ai processi di combustione nei motori ad accensione comandata e Diesel. I processi di alimentazione di aria e combustibile nei MCI: sistema di distribuzione e diagramma polare della distribuzione ideale e reale. Cenni alla turbosovralimentazione.
Turbine a gas, cicli di riferimento, rendimento e lavoro unitario, ottimizzazione. Rapporto aria- combustibile, camere di combustione. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di cicli a gas semplici e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a gas con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento. La temperatura di ingresso turbina (TIT): effetti sul rendimento e problemi derivanti dalla resistenza dei materiali. Cenni al raffreddamento delle pale.
Bibliografia
Gli argomenti affrontati durante il corso sono presentati con analogo approccio e con identica simbologia nei seguenti testi:
•
C.Caputo, "Gli impianti convertitori di energia", ed.Masson, 1997.
• C.Caputo, "Le Macchine Volumetriche", ed.Masson, 1999.
• C.Carcasci, B.Facchini, "Esercitazioni di Sistemi Energetici", ed.Esculapio, 2016.
• G.Negri di Montenegro, M.Bianchi, A.Peretto, "Sistemi Energetici e Macchine a Fluido", ed.Pitagora, 2009.
Per ulteriori approfondimenti lo studente può inoltre consultare i testi seguenti:
• O.Acton, C.Caputo, Macchine a fluido, vol.1, 'Introduzione allo studio delle Macchine', ed.UTET, 1979.
• O.Acton, C.Caputo, Macchine a fluido, vol.2, 'Impianti Motori', ed.UTET, 1992.
• O.Acton, Macchine a Fluido, vol.3, "Turbomacchine", ed.UTET, 1990.
• G.Ferrari, "Motori a Combustione Interna", ed.Il Capitello, 2016.
Metodi didattici
Le attività didattiche saranno condotte nella forma di lezioni frontali in aula (ovvero online nel caso la situazione sanitaria relativa al COVID lo imponga) nel corso delle quali gli argomenti del corso verranno affrontati sia da un punto di vista teorico, al fine di favorire la comprensione delle tematiche presentate (collegandole ove opportuno con le conoscenze già acquisite dallo studente), sia pratico, attraverso la presentazione di esempi quantitativi di specifici impianti motori e delle procedure di calcolo che portano alla valutazione numerica delle caratteristiche operative degli impianti, ai parametri prestazionali ed alle trasformazioni termodinamiche che in essi hanno luogo.
In particolare nel corso delle lezioni teoriche verranno approfondite le nozioni fondamentali per lo studio delle trasformazioni termodinamiche e dei cicli termodinamici nei Sistemi Energetici e per il calcolo delle caratteristiche operative e delle prestazioni. Le applicazioni pratiche presentate saranno finalizzate a consentire allo Studente di acquisire la necessaria dimestichezza con le unità di misura, con il calcolo quantitativo delle trasformazioni termodinamiche ideali e reali, nonché con la valutazioni delle prestazioni degli Impianti motori primi studiati nel corso.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento si realizza attraverso il solo esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità (ossia l‘acquisizione dei risultati di apprendimento) attraverso una prova scritta ed un colloquio orale.
La prova scritta consiste in un esercizio ed in una serie di domande strutturate. L’esercizio è costituito da un problema di calcolo del tutto affine a quelli sviluppati nel corso, ed in particolare prevede il calcolo numerico di un ciclo termodinamico applicato ad un impianto e la valutazione quantitativa di parametri prestazionali ed operativi dell'impianto stesso. L’esercizio prevede che i risultati forniti agli specifici quesiti posti risultino corretti entro scostamenti ingegneristicamente accettabili. Le domande strutturate riguarderanno aspetti fondamentali della teoria e saranno somministrate nella forma di quesiti a risposta chiusa. Durante la prova scritta non è permesso l'utilizzo di appunti o libri di alcun genere.
Per essere ammessi alla prova orale è necessario rispondere correttamente ai quesiti dell’esercizio indicati come soglia, e ad uno specifico numero di domande strutturate. Gli altri quesiti e le altre domande permetteranno di incrementare la votazione parziale.
Dopo la correzione della prova scritta l’allievo ammesso viene convocato per una prova orale. Questa consiste in: (1) una revisione della prova scritta in cui gli esaminatori informano l’allievo sui criteri di correzione, ricevono eventuali precisazioni dell’allievo e decidono se modificare il giudizio; (2) due domande teoriche sugli argomenti svolti nel corso e sull'applicazione della teoria a problemi anche originali: saranno valutate in particolare la capacità critica, la proprietà di esposizione e la capacità di correlare gli argomenti trattati. Ciascuna delle due domande viene valutata su una scala da 0 a 30. Per superare l’esame è necessario che per ciascuna delle due domande la valutazione sia sufficiente (ovvero se la risposta anche ad una sola delle due domande è ritenuta insufficiente l’esame non è superato).
Il voto finale è ottenuto calcolando la media aritmetica dei voti della prova scritta e delle due domande della prova orale (entrambi in trentesimi).
Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA per sostenere l’esame.
Le prove anzidette saranno in presenza se la situazione sanitaria lo permetterà, altrimenti saranno somministrate con apposite procedure in modalità online.
Altre informazioni
E' vivamente consigliata la frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni del corso.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Energia pulita ed accessibile.
