73111 - SISTEMI ENERGETICI E MACCHINE LM

Scheda insegnamento

SDGs

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

Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture Città e comunità sostenibili Agire per il clima

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente è in grado di affrontare la progettazione dei moderni sistemi energetici (gruppi combinati, gruppi cogenerativi) per la produzione di energia elettrica e dei cicli frigoriferi (a compressione, ad assorbimento, ad aria). Inoltre è in grado di affrontare la progettazione fluidodinamica delle turbomacchine motrici ed operatrici a fluido comprimibile. Infine lo studente acquisisce le conoscenze di base sui sistemi per la produzione di energia elettrica e termica da fonti rinnovabili.

Programma/Contenuti

PRINCIPI DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA E DELL'ENERGIA:

Principio di conservazione della massa. Principio di conservazione dell'energia per sistema chiuso e sistema aperto. I gas perfetti: proprietà. Le trasformazioni termodinamiche di un gas ideale. Lavoro isoentropico, reale e politropico di compressione ed espansione. Rendimento isoentropico e politropico.

PANORAMA ENERGETICO MONDIALE:

Panorama energetico mondiale: richiesta di energia pro-capite, fabbisogno energetico mondiale su base geografica, per settore, per fonte primaria. Panorama energetico italiano. Classificazione delle fonti energetiche primarie e definizione di motore primo.

L'IDROGENO:

L'idrogeno come vettore energetico: caratteristiche fisiche. Il concetto di energia per unità di massa e per unità  di volume. Lo stoccaggio dell'idrogeno liquido, gassoso ed in idruri metallici. Confronto fra idrogeno e metano in termini di energia per unità di massa nello stoccaggio gassoso e lavoro specifico di compressione. Schema di impianto di liquefazione dell'idrogeno e relativo diagramma T-S. Tecniche di produzione dell'idrogeno: concetto di rendimento di produzione. Produzione diretta dell'idrogeno da combustibili fossili: reazioni di reforming e di shift. Produzione da biomasse. Produzione per elettrolisi.

L'ENERGIA SOLARE

Energia solare come fonte energetica primaria. La costante solare e la radiazione terrestre. Influenza delle stagioni e della posizione dei pannelli solari. Influenza dell'atmosfera. Il solare fotovoltaico: lay-out stand-alone e grid-connected. Il solare termico: valutazioni energetiche in relazione all'uso o di pannelli solari integrati con una caldaia a metano, o di una caldaia elettrica o di una caldaia a metano singola. Calcolo della massima temperatura di un pannello solare: la soluzione a concentrazione.

L'ENERGIA GEOTERMICA

L'energia geotermica: l'impiego del fluido geotermico come fluido intermedio o come fluido motore. Classificazione dei sistemi geotermici. Impianti a vapore dominante: a scarico ambientale e a condensazione. Impianti ad acqua dominante: impianti a flash, impianti a ciclo binario. Impianti ibridi: accoppiamento con un turbogas, integrazione in un ciclo a vapore a spillamenti. 

L'ENERGIA IDROELETTRICA

L'energia idroelettrica:principio fisico. Classificazione in base al tipo di impianto (a bacino o ad acqua fluente), in base all'altezza del salto e quindi al tipo di turbina impiegata (Pelton, Francis, Kaplan), in base alla taglia dell'impianto. Potenza idraulica teorica in funzione del salto disponibile e potenza elettrica effettiva. La gestione dei sistemi termoelettrici: curva a “M” della richiesta giornaliera. Curva monotona delle potenze e relativa copertura dei diversi sistemi di potenza. Il costo di produzione dell'energia: costi fissi e costi variabili. La scelta dell'impianto sulla base delle richieste orarie e del costo.

LE MAREE ED IL MOTO ONDOSO

Le maree: principio fisico. Bacino a semplice effetto: principio di funzionamento. Calcolo dell'energia potenziale al ciclo e dell'energia annuale teoricamente producibile.

Il moto ondoso: sistemi off-shore, in-shore e shore-line. Esempio di installazione off-shore con pistone alternativo ad olio, ancorato sul fondo del mare. Esempio di applicazione di sistema a colonna d'aria oscillante. Esempio di applicazione di sistema a bacino sopraelevato.

L'ENERGIA EOLICA

Considerazioni sulla potenza installata nel mondo. Il limite di Betz-Lancaster: analisi del tubo di flusso, definizione di densità di potenza, di coefficiente di potenza e di rendimento esterno. Calcolo del massimo della curva del coefficiente di potenza in funzione del rapporto fra le velocità a monte e a valle delle pale: limite di Betz. Considerazioni sul coefficiente di potenza empirico. Studio anemologico di un sito: funzione densità di probabilità di Weibull ed esempio pratico. Definizione di energia erogabile e di energia per unità di superficie. Scelta progettuale relativa alla massima regolarità di funzionamento o alla massima energia erogabile.

CICLI TURBOGAS

Cicli Turbogas a ciclo di Brayton semplice: schema, considerazioni sull'eccesso d'aria e sulla massim temperatura di ingresso in turbina. Definizione di rendimento termodinamico, organico e totale. Condizione di autosufficienza e numero di gradi di libertà del sistema. Definizione del lavoro utile adimensionale e del rendimento termodinamico in funzione del parametro alfa. Determinazione per via grafica del massimo del rendimento termodinamico. Andamento del rendimento termodinamico in funzione del lavoro utile nel caso reale e nel caso ideale. Considerazioni sul caso ideale: rendimento massimo come rendimento del ciclo di Carnot. Definizione di rapporto di compressione limite nel caso reale e nel caso ideale.

Il turbogas a ciclo di Brayton rigenerativo: il diagramma di scambio termico ed il rapporto di compressione limite. Efficienza dello scambiatore. Condiderazioni sul rapporto fra rendimento termodinamico del turbogas a ciclo di Brayton classico e il rendimento termodinamico per ciclo rigenerativo.

Le microturbine: descrizione e schema.

Gruppo a gas con compressione frazionata inter-refrigerata: lavoro utile e rendimento. Espressione del rapporto delle pressioni che minimizza il lavoro di compressione. Gruppo a gas con espansione frazionata inter-riscaldata: lavoro utile e rendimento. Espressione del rapporto delle pressioni che massimizza il lavoro di espansione. Il ciclo di Ericsson.

Il raffreddamento delle turbine a gas a ciclo aperto e a ciclo chiuso. Vantaggi dell'uso del vapore acqueo come fluido refrigerante. Effetto del raffreddamento sul lavoro di espansione. Calcolo della portata di spillamento necessaria a raffreddare una schiera di pale. La regolazione dei gruppi turbogas: tecniche e vincoli. Curve caratteristiche di compressore e turbina: punto di funzionamento. Regolazione dei gruppi turbogas monoalbero a geometria fissa. Regolazione dei gruppi monoalbero con VIGV. Regolazione dei gruppi turbogas bialbero a geometria fissa e con VNGV.

Influenza delle condizioni ambientali sulle prestazioni dei gruppi turbogas. Sistemi di raffreddamento dell'aria in ingresso al compressore. Sistemi continui a ciclo aperto. Sistemi continui a ciclo chiuso, con ciclo frigorifero a compressione ed ad assorbimento, con e senza accumulo. Cicli evaporativi standard, tecniche di fogging, sistemi ibridi.

TELERISCALDAMENTO

Il teleriscaldamento ed il teleraffreddamento. Concetti di base, definizioni, vantaggi, svantaggi. Elementi costitutivi del teleriscaldamento: centrale termica (cogenerativa), rete di distribuzione, sottostazioni di scambio termico. Tipi di reti di teleriscaldamento. Sistema di teleraffreddamento a 4 tubi ed a 2 tubi. Tubazioni. Valutazioni di progettazione.

CICLI COMBINATI

Lay-out di impianto, diagramma T-S e diagramma di scambio termico di un ciclo ad un livello di pressione. Valutazione del rendimento totale, rapportato anche numericamente ai rendimenti del solo topper o del solo bottomer. Definizione dell'efficienza di conversione della caldaia a recupero. Bilancio energetico del corpo separatore. Espressione del rendimento totale. Valutazione del rendimento di recupero per via grafica e considerazioni sulla potenza totale. Il ciclo combinato ad un livello di pressione con risurriscaldamento: diagramma T-S e di scambio termico. Valutazione del rendimento di recupero. Il ciclo combinato ad uno spillamento: valutazione del rendimento di recupero. Il problema della rugiada acida e della minima temperatura di uscita dei gas di scarico dalla caldaia a recupero. La temperatura limite. Ciclo combinato ad un livello di pressione con post-combustione: valutazione del rendimento totale. Ciclo combinato a due livelli di pressione: bilanci in caldaia e nei due corpi separatori. La regolazione dei cicli combinati.

CICLI COGENERATIVI

Cicli cogenerativi: indici di valutazione riferiti alle prestazioni massime ed alle prestazioni medie. Gruppi cogenerativi con turbina a gas, con e senza post-combustore. Cicli cogenerativi con turbina a vapore in contropressione ed in derivazione. Cicli cogenerativi con ciclo combinato e con m.c.i. alternativi.

CICLI FRIGORIFERI

Gruppi frigoriferi: coefficiente di prestazione e confronto con il rendimento termodinamico. Gruppi frigoriferi ad aria. Fluidi frigoriferi: tipi di fluidi e caratteristiche (pressione critica, temperatura critica, Capacità Volumetrica Refrigerante CRV. Cicli frigoriferi ad assorbimento. Cicli a bromuro di litio. Cicli ad ammoniaca. Ciclo Electrolux.

CIRCOLAZIONE NATURALE E FORZATA

Schema di funzionamento della circolazione naturale, assistita e forzata. Limiti della circolazione forzata legati alle elevate pressioni di vaporizzazione nei grandi impianti. La circolazione naturale: rapporto tra le portate ai tubi vaporizzatori e ai surriscaldatori. Limiti del titolo della miscela. Parametri che influenzano la portata ai tubi vaporizzatori: differenza di pressione motrice, perdita di pressione per accelerazione del fluido e per attrito. Circolazione dei fumi e circolazione forzata. Confronto fra circolazione naturale e forzata: differenze.

MACCHINE

1) Equazioni del flusso stazionario unidimensionale comprimibile di un gas perfetto in un condotto; flusso isentropico in un condotto di area variabile.
2) Macchine motrici a fluido comprimibile: lo stadio di turbina assiale, la trasformazione termodinamica, triangoli di velocità, lavoro per stadio, rendimento. Turbina a salti di velocità e turbina a salti di pressione, confronto fra delle prestazioni e dei rendimenti. Turbina a reazione, triangoli di velocità, lavoro e rendimento per stadio. Limiti di portata per applicazioni in impianti a vapore. Configurazioni tipiche del parco macchine per applicazioni in impianti a vapore. Il raffreddamento delle pale per applicazioni in turbine a gas per applicazioni tipicamente aeronautiche.
3) Macchine operatrici a fluido comprimibile: lo stadio di compressore assiale, la trasformazione termodinamica, funzionamento in condizioni fuori progetto dello stadio di compressore, accoppiamento aerodinamico tra gli stadi, prestazioni globali del compressore assiale multistadio. Il pompaggio e lo stallo rotante.
Compressore centrifugo, funzionamento della macchina, triangoli della velocità, determinazione del lavoro e del rendimento di stadio.
Rappresentazione delle performance dei compressori. Curve caratteristiche e diagramma collinare.
4) Accoppiamento compressore turbina. La regolazione dei turbogas. Applicazioni terrestri ed aeronautiche (turboprop, turbofan e turbojet). La sovralimentazione del motore alternativo a combustione interna.
5) Compressori volumetrici alternativi: rendimento di carica e caratteristiche di funzionamento. Compressori a lobi e a palette.

Testi/Bibliografia

SISTEMI ENERGETICI:

Sistemi Energetici e loro componenti,  G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto 
II Edizione – Pitagora Editore.


MACCHINE:

Testi consigliati:

Macchine a Fluido, Dossena, Ferrari, Gaetani, Montenegro, Onorati, Persico - Editore: CittàStudi

Testi di consultazione:

1.      Bettocchi R. - Turbomacchine - Pitagora, 1986.
2.      Acton O. - Turbomacchine - UTET, 1986.
3.      Acton O., Caputo C. - Introduzione allo studio delle macchine - UTET, 1979.
4.      Cohen H., Rogers G.F.C., Saravanamuttoo H.I.H. - Gas Turbine Theory – 5th Ed. – Prentice Hall, 2001
5.      Csanady G.T. - Theory of Turbomachines - McGraw Hill, 1964.
6.      Cumpsty N.A. - Compressor Aerodynamics - Longman, 1990.
7.      Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery - Pergamon Press, 1978.
8.      Horlock J.H. - Axial Flow Compressors - Butterworths, 1958.
9.  Horlock J.H. - Axial Flow Turbines - Butterworths, 1966.
10.  Osnaghi G. - Macchine fluidodinamiche - CLUP, Milano, 1979.
11.  Pfleiderer C., Peterman H. - Turbomacchine - Tecniche Nuove, 1985
12.  Sandrolini S., Borghi M., Naldi, G. – Turbomacchine termiche. Turbine – Pitagora, 1992.
13.  Sandrolini S., Naldi G. – Macchine 1. Fluidodinamica e termodinamica delle turbomacchine – Pitagora, 1997.
14.  Sandrolini S., Naldi G. – Macchine 2. Le turbomacchine motrici e operatrici,  Pitagora,1998.

Metodi didattici

Le lezioni sono di tipo frontale in aula. Il docente, in sostituzione della tradizionale lavagna, utilizza un tablet collegato al proiettore per sviluppare i concetti e per mostrare il materiale didattico di supporto. Al termine della lezione il docente mette a disposizione il materiale proiettato in un file pdf, scaricabile da IOL e sempre disponibile per gli studenti, nonché a loro USO ESCLUSIVO. E' VIETATA ogni forma di distribuzione di tale materiale, che ogni STUDENTE ISCRITTO può scaricare in AUTONOMIA. Tale materiale NON è da intendersi quale DISPENSA ma è SOLAMENTE un sistema di SUPPORTO allo studio sia per chi ha seguito le lezioni sia per chi non le ha seguite. Il docente NON fornisce DISPENSE ma INVITA CALDAMENTE gli studenti a fare USO dei LIBRI di TESTO.

La frequenza è fortemente consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni, ma non incide sul processo di valutazione finale.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è solo orale. Lo scopo principale del corso è fornire agli studenti le conoscenze di base sui sistemi energetici moderni, con particolare enfasi rivolta alle moderne fonti rinnovabili ed in generale alle nuove fonti di energia. In particolare si cerca di dare loro una visione critica delle tecniche di produzione dell'energia, illustrando pregi e difetti.

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale della durata di circa 45 minuti nel corso del quale lo studente deve rispondere a due quesiti di sistemi energetici ed uno di macchine: tali argomenti sono parte del programma svolto durante le lezioni e reso disponibile ogni volta su AMS CAMPUS tramite pdf, che contengono sia la lezione svolta sia il materiale didattico di supporto.

Nel corso del colloquio, relativamente alle macchine a fluido, ai loro componenti e funzioni, viene valutata la capacità dello studente di:

- utilizzare correttamente gli strumenti della termodinamica;

- descriverne il funzionamento;

- giustificarne teoricamente l’architettura;

- rappresentarne la geometria con uno schema a mano libera;

- valutarne le prestazioni;

La valutazione, espressa in trentesimi, sarà tanto più alta quanto più lo studente è:

  • autonomo nell’argomentare le risposte ai due quesiti;
  • esaustivo nell’esporre le argomentazioni;
  • preciso nel rappresentare la funzionalità degli schemi rappresentati a mano libera.

L’insegnamento è suddiviso in due moduli, ma non è un corso integrato: è quindi necessario sostenere l'esame di entrambi i moduli insieme.

Il calendario delle prove è reso disponibile con ampio anticipo sulla piattaforma web AlmaEsami dell'Ateneo di Bologna. L’iscrizione all’appello è possibile fino a 3 giorni prima della data d’esame. Al momento della prova lo studente deve presentarsi con un documento di riconoscimento.

Strumenti a supporto della didattica

Il corso verrà svolto tramite l'impiego di:

- Tablet collegato al proiettore, utilizzato come alternativa alla lavagna.

- Ogni lezione sarà caricata sulla piattaforma IOL del docente, come ausilio per gli studenti.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Stefania Falfari