28658 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI T-1

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile Lotta contro il cambiamento climatico

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire all'allievo conoscenze progettuali, costruttive, funzionali e di gestione delle macchine a fluido, sia a livello del singolo componente (macchine motrici, operatrici, sede di reazioni chimiche e di scambio termico) sia a livello dei sistemi ed impianti in cui le macchine sono inserite, con particolare attenzione ai sistemi stazionari di generazione di energia elettrica e termica utilizzati nei processi industriali e nel settore terziario e residenziale.

Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce le basi di fisica, termodinamica e chimica, e sa utilizzare strumenti matematici utili per l’analisi e la modellazione di macchine e sistemi energetici.

Tali conoscenze sono acquisite, di norma, superando gli esami di Fisica, Analisi Matematica, Chimica, Geometria e Algebra.

Tutte le lezioni saranno tenute in Italiano. È quindi necessaria la comprensione della lingua italiana per seguire con profitto il corso e per poter utilizzare il materiale didattico fornito.

Programma MODULO 1

Le fonti energetiche primarie

Panoramica sulle fonti primarie di energia, le definizioni di rinnovabile, trasportabile, programmabile. Le tecnologie per la conversione di energia. Idrogeno come vettore energetico.

Richiami di termodinamica

Conservazione della massa e dell'energia per un sistema chiusi e aperto.

I gas perfetti ed ideali. Le trasformazioni politropiche, il calore specifico, il diagramma T-s. Compressione ed espansione di un gas ideale: lavoro reale, isoentropico e politropico, rendimento politropico.

Combustione

Classificazione dei combustibili, le reazioni di combustione, il bilancio energetico e di massa, calcolo dell'aria stechiometrica, definizione dell'eccesso d'aria. Il potere calorifico inferiore e superiore. Il rendimento di combustione. Esempi numerici.

Gruppi a vapore

Il ciclo Rankine: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti. Influenza della pressione di condensazione e di vaporizzazione sul rendimento del ciclo. Esempi numerici.

Il ciclo Hirn: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti.

Il ciclo a vapore ad uno spillamento: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti.

Il ciclo a vapore a tre spillamenti: schema, bilanci di massa, di energia e prestazioni.

Il rendimento totale di un gruppo a vapore espresso in funzione del rendimento termodinamico, del rendimento organico, dell'alternatore e del generatore di vapore.

Generatori di vapore

Il rendimento di un generatore di vapore valutato per via diretta e indiretta. Esempi numerici.

Scambiatori di calore a superficie

Il coefficiente globale di scambio termico, la temperatura di parete, il metodo del salto di temperatura medio logaritmico.

Il diagramma di scambio termico, lo scambio equicorrente e controcorrente con superficie infinita, l'efficienza dello scambiatore di calore.

Turbogas

Il ciclo Brayton ideale e reale: gli stati fisici di fine compressione ed espansione, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, il piano rendimento-lavoro, il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento, il rendimento isoentropico. Esempi numerici.

Bilancio energetico della camera di combustione di un turbogas e espressione del rendimento di combustione. Esempi numerici.

Il rendimento totale di un gruppo turbogas in funzione del rendimento termodinamico, organico, degli ausiliari, dell'alternatore e della camera di combustione.

Cicli combinati gas/vapore

Schema di un ciclo combinato ad un livello di pressione, i bilanci energetici, il rendimento, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. La post-combustione.

Il circuito dell'acqua in un generatore di vapore a recupero: il corpo cilindrico e la circolazione dell'acqua nei tubi vaporizzatori.

Il ciclo combinato a due livelli di pressione: schema e diagramma T-s.

Cogenerazione

Introduzione alla cogenerazione, le prestazioni di un sistema cogenerativo, il confronto con la produzione separata.

La cogenerazione con turbine a gas: schemi dell'impianto, aspetti termodinamici, prestazioni e modalità di esercizio.

Cogenerazione con turbine a vapore a contropressione: schemi dell'impianto, aspetti termodinamici, prestazioni e modalità di esercizio.

Considerazioni economiche

Il costo di produzione di un impianto termoelettrico e il COE (Cost of electricity): il costo fisso su base annua, i costi variabili in funzione delle ore equivalenti di funzionamento. Il poligono dei costi e la scelta del sistema energetico con il minor costo di produzione annuo e il suo legame con la curva monotona delle potenze. Esempi numerici 

 

Programma MODULO2

Pompe centrifughe

Generalità, prevalenza geodetica, calcolo della prevalenza manometrica, calcolo della potenza (idraulica, della girante, meccanica, elettrica), rendimento idraulico, rendimento volumetrico, rendimento organico, rendimento totale; schema semplificato della girante di una pompa centrifuga, schema semplificato girante e voluta con e senza diffusore; calcolo della curva caratteristica teorica (triangoli di velocità in ingresso e in uscita girante, lavoro secondo Eulero, caratteristica teorica nel caso di pale avanti, indietro e radiali); inserimento perdite di carico concentrate e distribuite, caratteristica reale nel caso di pale indietro, curva caratteristica reale al variare del numero di giri, curve collinari di efficienza; il punto di funzionamento di una pompa centrifuga (intersezione tra la caratteristica della pompa con la caratteristica resistente del circuito, regolazione con valvola e/o variazione del numero di giri); curva caratteristica nel caso di due pompe uguali o diverse connesse in serie o in parallelo e punto di funzionamento; pompe multicellulari (cenni); cavitazione di una pompa centrifuga (calcolo della pressione di aspirazione alla pompa e confronto con la tensione di vapore, descrizione del fenomeno fisico della cavitazione, definizione NPSH, NPSH della pompa e NPSH del circuito, confronto grafico nel caso di pompa sopra battente e sotto battente, andamento della pressione sul ventre e dorso della pala, fenomeni di cavitazione sulle pale); l'adescamento delle pompe centrifughe (problematiche e soluzioni pratiche).

Pompe volumetriche alternative

 schema, principio di funzionamento, diagramma pV teorico e reale, definizione della cilindrata, rendimento volumetrico o di carica, espressione della portata volumetrica alla mandata e della portata teorica; espressione del lavoro, della potenza e del rendimento; curva caratteristica, portate di fuga, dipendenza del rendimento volumetrico dalla prevalenza, punto di funzionamento e influenza del numero di giri, andamento della portata alla mandata nel tempo; pompa volumetrica alternativa a doppio effetto (schema, principio di funzionamento, andamento della portata alla mandata nel tempo).

Pompe volumetriche rotative

Generalità; pompa a palette (schema, principio di funzionamento, portata volumetrica alla mandata, considerazioni sul rendimento volumetrico); pompa a ingranaggi (schema, principio di funzionamento, portata volumetrica alla mandata, considerazioni sul rendimento volumetrico); pompa a lobi (schema, principio di funzionamento).

Compressori volumetrici alternativi

Generalità, schema semplificato, grandezze caratteristiche; diagramma di indicatore reale (massa aspirata teorica e reale, rendimento di carica, massa inviata reale, coefficiente di fuga), lavoro di ciclo e lavoro specifico, lavoro totale e potenza totale, considerazioni sui limiti della portata aspirata e inviata; compressore volumetrico alternativo a doppio effetto (cenni); calcolo del rendimento di carica nel caso ideale; calcolo del lavoro nel caso ideale; calcolo del rendimento di carica nel caso reale; calcolo del lavoro nel caso reale.

Motori endotermici alternativi

 generalità; ciclo termodinamico di Sabathè, espressione del rendimento termodinamico; calcolo del rendimento termodinamico del ciclo Otto e del ciclo Diesel a partire dal ciclo Sabathè; confronto tra ciclo termodinamico Otto e ciclo Diesel; diagramma di indicatore ideale di un ciclo Otto; diagramma di indicatore ideale di un ciclo Diesel; diagramma di indicatore limite di un ciclo Otto; diagramma di indicatore reale di un ciclo Otto, lavoro di pompaggio e lavoro di indicatore; diagramma polare delle fasi (anticipo/ritardo apertura/chiusura valvole di aspirazione/scarico, anticipo accensione); rendimento totale (definizione di rendimento termodinamico, di indicatore, meccanico); rendimento volumetrico, rapporto aria/combustibile definizione della tonalità termica, pressione media indicata ed effettiva; espressione di potenza e coppia, consumo specifico e loro andamento in funzione del numero di giri; frazionamento della cilindrata a parità di potenza e a parità di cilindrata, considerazioni sul limite al frazionamento, esempi di architetture a più cilindri (4 cilindri in linea, 4 cilindri contrapposti, 6 cilindri in linea, configurazione a V); curve caratteristiche in regime regolato di un motore diesel e di un motore a benzina (confronto); impiego stazionario dei motori endotermici alternativi (generalità, tipologia di cicli impiegati, tipologia di combustibili impiegati), diagramma di Sankey di un motore endotermico alternativo per uso stazionario, schema del recupero termico per produzione di acqua calda o vapore.

 

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici e macchine a fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi A. Peretto, III Edizione – Pitagora Editore

"Gas Turbine Theory" H. Cohen, G.F.C. Rogers, H.I.H. Saravanamuttoo, Longman scientific & technical

Motori Endotermici Alternativi, Giorgio Minelli, Pitagora Editrice.

Internal Combustion Engine Fundamentals, J.B. Heywood, McGraw-Hill.

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 9 CFU suddivisi in due moduli che verranno erogati in serie:  il primo da 6 CFU tenuto dal prof. Michele Bianchi (da febbraio a inizio maggio) e il secondo da 3 CFU tenuto dal prof. Francesco Melino (da maggio a giugno).

Entrambi i moduli prevedono lezioni di teoria e alcune esercitazioni in cui verranno presentati alcuni esempi numerici.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame di fine corso ha lo scopo di valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici, verificando le conoscenze che lo studente ha acquisito riguardo agli aspetti progettuali, costruttivi, funzionali e di gestione delle macchine a fluido e dei sistemi energetici.

 Il voto finale viene definito mediante un'unica prova orale che mira ad accertare le conoscenze dello studente in tutti gli argomenti trattati nei 9 CFU.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico
tramite internet.

Per scaricare il materiale didattico: http://campus.unibo.it/ Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi

Consulta il sito web di Francesco Melino