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 Imprese innovazione e infrastrutture Città e comunità sostenibili Lotta contro il cambiamento climatico

Anno Accademico 2021/2022

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. la circolazione dell'acqua in caldaia e il corpo separatore. Il diagramma di scambio termico di una caldaia ad irraggiamento. La temperatura media di combustione. Il carico termico. 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 di compressione ed espansione. 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

classificazione delle macchine operatrici; definizione della prevalenza geodetica e della prevalenza manometrica; espressione della prevalenza manometrica; applicazione dell'equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma meccanica al circuito di riferimento; calcolo della potenza della pompa, definizione del rendimento idraulico, volumetrico, meccanico, del motore elettrico e totale; architettura semplificata di una pompa centrifuga (girante, voluta, eventuale diffusore); triangoli di velocità in ingresso e in uscita; espressione del lavoro di Eulero; calcolo della caratteristica teorica, considerazioni sulla forma delle pale (indietro, radiali, avanti) e perdite di carico; calcolo della caratteristica reale; caratteristica reale al variare della velocità di rotazione; cavitazione: principio fisico, definizione NPSH, NPSH della pompa e NPSH disponibile, caso sotto battente e sopra battente, cavitazione sulle pale della girante; adescamento (cenni); connessione tra più pompe (serie tra due pompe uguali, serie tra due pompe diverse, parallelo tra due pompe uguali, parallelo tra due pompe diverse); determinazione del punto di funzionamento (caso circuito aperto e caso circuito chiuso); regolazione (controllo velocità, valvola di strozzamento); pompe centrifughe multicellulari (cenni).

Pompe volumetriche alternative

schema, principio di funzionamento, diagramma di indicatore ideale e reale, espressione della cilindrata, portata volumetrica teorica e reale, rendimento volumetrico, velocità media del pistone, lavoro teorico, lavoro di indicatore, rendimento di indicatore, potenza meccanica e elettrica prodotta, rendimento totale della pompa; caratteristica teorica e reale, portate di fuga e dipendenza dalla prevalenza; caratteristica reale al variare della velocità di rotazione e punto di funzionamento; considerazioni sull'andamento della portata alla mandata nel tempo; pompa volumetrica alternativa a doppio effetto (schema e considerazioni sull'andamento della portata alla mandata nel tempo); pompa volumetrica alternativa a triplo effetto (schema e considerazioni sull'andamento della portata alla mandata nel tempo).

Pompe volumetriche rotative

caratteristiche generali; pompa a palette (schema, principio di funzionamento, calcolo della portata volumetrica elaborata); pompa a ingranaggi (schema, principio di funzionamento, calcolo della portata volumetrica elaborata); pompa a lobi (schema, principio di funzionamento, calcolo della portata volumetrica elaborata); pompa a vite (cenni).

Compressori volumetrici alternativi

schema, volume cilindrata, volume nocivo, coeff. di spazio nocivo, rapporto di compressione manometrico e geometrico, diagramma indicatore reale, rendimento di carica, coefficiente di fuga, calcolo della massa di aria alla mandata, definizione lavoro specifico per ciclo e lavoro totale; espressione della potenza e considerazioni sui limiti circa la portata alla mandata; calcolo del rendimento di carica, del lavoro di ciclo e del lavoro specifico nel caso ideale (macchina ideale, fluido ideale);

calcolo del rendimento di carica, del lavoro di ciclo e del lavoro specifico nel caso reale (macchina reale, fluido reale), definizione del rendimento interno; limite al rapporto di compressione manometrico realizzabile, compressione frazionata inter-refrigerata, esempi e considerazioni.

Motori a combustione interna

definizioni; diagramma termodinamico del ciclo Sabathè, definizione del grado di combustione a volume costante e a pressione costante; definizione del rapporto di compressione, espressione del rendimento termodinamico del ciclo Sabathè, del ciclo Otto e del ciclo Diesel; confronto del rendimento termodinamico tra ciclo Otto e ciclo Diesel; architettura semplificata di un quattro tempi monocilindrico; diagramma di indicatore ideale per un ciclo Otto;

diagramma di indicatore ideale per un ciclo Diesel; diagramma di indicatore limite per un ciclo Otto; diagramma di indicatore reale per un ciclo Otto, definizione di lavoro di indicatore e lavoro di pompaggio; diagramma della distribuzione (anticipo apertura aspirazione, ritardo chiusura aspirazione, anticipo accensione, anticipo apertura scarico, ritardo chiusura scarico, incrocio valvole); rendimento totale (rendimento termodinamico, di indicatore, meccanico); espressione del lavoro totale per un motore a ciclo Otto e per uno a ciclo Diesel; definizione della tonalità termica, della pressione media indicata e della pressione media effettiva; espressione di potenza, coppia e consumo specifico e andamento in funzione del numero di giri, considerazione sulla stabilità del punto di funzionamento; frazionamento della cilindrata a potenza costante e a volume di cilindrata costante; architettura 4 cilindri in linea (schema e considerazioni) e 4 cilindri contrapposti (schema e considerazioni); impiego stazionario dei motori endotermici alternativi (caratteristiche generali, caso motori a ciclo Otto e a ciclo Diesel, sovralimentazione con turbocompressore e intercooler, combustibili impiegati); diagramma di Sankey per un motore endotermico alternativo stazionario, schema per produzione di ACS (recupero da circuito IC, olio, acqua, fumi) e vapore (recupero da circuito acqua e fumi).

 

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 e valutazione 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