31399 - SISTEMI ENERGETICI T

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

Lo studente acquisisce conoscenze di base sulle fonti di energia, sui combustibili, sulla combustione, sui sistemi per la produzione di energia a combustibile fossile.

Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce e sa utilizzare le conoscenze acquisite nell’esame di Fisica Tecnica T, Fondamenti di chimica T, Fisica Generale

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

Introduzione e richiami di termodinamica

  • Le unità di misura dell’energia e i relativi fattori di conversione: kcal, kJ, tep, kWh.
  • Il principio di conservazione della massa e dell’energia in un sistema aperto, l’equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma termica e meccanica.
  • Gas ideali e perfetti, le principali trasformazioni di un gas ideale (isoentropica, politropica, isoterma, isocora e isobara) e loro rappresentazione sul piano temperatura–entropia.

Combustione

  • Le reazioni stechiometriche di combustione, calcolo della portata in massa di ossigeno stechiometrico e di aria stechiometrica, esempio numerico per il metano e l’idrogeno.
  • Definizione di eccesso d'aria, considerazioni sul legame tra combustibile e valore ottimale dell'eccesso d’aria, il rendimento di combustione e il suo andamento in funzione dell'eccesso d'aria e della tipologia di combustibile.
  • Definizione di potere calorifico, differenza tra potere calorifico superiore e potere calorifico inferiore, calcolo del potere calorifico come media pesata, l’energia per unità di volume, confronto numerico tra idrogeno e metano.
  • Bilancio energetico in camera di combustione e calcolo della temperatura media di combustione. Influenza dell’eccesso d’aria, del potere calorifico, della superficie irraggiata e dell’entalpia dei reagenti sulla temperatura media di combustione.

Turbogas

  • Il ciclo Brayton ideale: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e di espansione, del lavoro utile, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico. Espressione del lavoro, del calore e del rendimento in funzione del rapporto di compressione. La temperatura di fine compressione e di fine espansione. Il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento.
  • Il ciclo Brayton reale: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e di espansione, del lavoro utile, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico. Espressione del lavoro, del calore e del rendimento in funzione del rapporto di compressione.
  • Il lavoro reale, politropico ed isoentropico in una trasformazione di compressione e di espansione, definizione di rendimento politropico ed isoentropico e relativo andamento in funzione del rapporto di compressione e di espansione. La temperatura di fine compressione e di fine espansione in funzione del rendimento politropico. Il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento. 
  • Il bilancio energetico e il rendimento della camera di combustione di un turbogas, le perdite per incombusti, le dispersioni di calore, andamento del rendimento in funzione dell’eccesso d’aria. Schema della camera di combustione, definizione di aria primaria e secondaria. Calcolo del rapporto aria/combustibile e dell’eccesso d’aria in un turbogas.
  • Il rendimento totale del gruppo turbogas in funzione dei rendimenti termodinamico, organico, ausiliari, camera di combustione e della conversione elettromeccanica.

Gruppi a vapore

  • Il ciclo Rankine: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto con il ciclo turbogas.
  • Il condensatore e gli effetti dell'abbassamento della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo termodinamico. Il diagramma di scambio termico nel condensatore e considerazioni sulla minima pressione di condensazione. Il ruolo del degassatore in un ciclo a condensazione.
  • Il ciclo di Hirn: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Rankine e il ciclo Hirn e considerazioni sull’uso del surriscaldamento per superare i limiti del ciclo di Rankine.
  • Il ciclo risurriscaldato: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Hirn e il ciclo e considerazioni sull’uso del ri-surriscaldamento per superare i limiti del ciclo di Hirn. Andamento del rendimento e del titolo allo scarico della turbina a vapore al variare della pressione di surriscaldamento.
  • Il ciclo a vapore ad uno spillamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, calcolo della portata di spillamento. Confronto tra il ciclo a vapore con e senza spillamenti in termini di lavoro, calore e rendimento. Definizione di grado di rigenerazione e andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione.
  • Il ciclo a vapore a tre spillamenti con ri-surriscaldamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione della potenza prodotta dalla turbina, della potenza introdotta in caldaia, della potenza scaricata nel condensatore, bilanci energetici negli scambiatori rigenerativi e nel degassatore, considerazioni sulla linea di rigenerazione e sull'utilizzo di scambiatori a superficie o a miscela. Andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione nel caso di più spillamenti.

Scambiatori di calore

  • Il coefficiente globale di scambio termico e la temperatura di parete.
  • Lo scambiatore unidirezionale controcorrente, la potenza termica scambiata, il metodo del salto di temperatura medio logaritmico.
  • La definizione di efficienza di scambio nel caso controcorrente ed equicorrente in funzione della diversa capacità termica dei fluidi.
  • Il diagramma di scambio termico: confronto tra il caso controcorrente ed equicorrente e l’andamento della temperatura di parete.

Generatore di vapore

  • Il rendimento di un generatore di vapore valutato per via diretta e indiretta, le perdite per incombusti, le dispersioni e la perdita di calore sensibile al camino. Andamento del rendimento in funzione dell’eccesso d’aria.
  • Schema del circuito dell’acqua in un generatore di vapore: la disposizione dei fasci tubieri, calcolo della portata di circolazione dell’acqua nei tubi vaporizzatori ed il suo legame con la portata di vapore prodotto. I limiti sul valore massimo del titolo di vapore nei vaporizzatori, la vaporizzazione a bolle, a tappi, a film e a nebbia.
  • Calcolo della portata di circolazione dell’acqua nei tubi vaporizzatori in caso di circolazione naturale, la pressione motrice, le perdite per accelerazione e di attrito; la circolazione forzata.
  • Caldaia ad irraggiamento: schema della macchina, disposizione dei fasci tubieri in camera di combustione e nella zona convettiva e relativo diagramma di scambio termico. Considerazioni sulla posizione della fiamma in camera di combustione e la sua influenza sulla produzione di portata di vapore e sulla temperatura massima del vapore.
  • Il carico termico e il suo legame con la temperatura media di combustione e con il tempo minimo di permanenza del combustibile in camera di combustione.
  • Il problema della rugiada acida: la miscela acqua e acido solforico e la diversa composizione del vapore e della condensa nei prodotti di combustione di un combustibile contenente zolfo, la temperatura di rugiada.

Cicli combinati gas/vapore

  • Ciclo combinato ad un livello di pressione: schema dell’impianto, diagramma T-s, espressione della potenza scaricata dal turbogas e di quella recuperata dalla caldaia a recupero, il bilancio nell'economizzatore, nel vaporizzatore e nel surriscaldatore, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. Espressione del rendimento totale di un ciclo combinato in funzione del rendimento del turbogas, dell’efficienza della caldaia a recupero e del rendimento del ciclo a vapore.
  • Ottimizzazione del ciclo a vapore in un ciclo combinato: il diagramma di scambio temperatura-entalpia, la scelta della pressione di vaporizzazione, della pressione di condensazione, l’influenza della superficie di scambio della caldaia a recupero, considerazioni sul ciclo a vapore e sull’uso degli spillamenti. La post-combustione e il suo legame con la temperatura di scarico dei fumi e con la produzione di vapore.
  • Ciclo combinato a due livelli di pressione: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma temperatura-entropia, espressione della potenza prodotta ed introdotta, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. Considerazioni sul numero di livelli di pressione di una caldaia a recupero.

Turbogas complessi

  • Il ciclo turbogas con recupero di calore: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del calore introdotto e recuperato e del rendimento termodinamico. Il diagramma di scambio termico del recuperatore, il rapporto di compressione limite per poter effettuare il recupero.
  • Il ciclo turbogas con compressione frazionata inter-raffreddata: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e la condizione di minimo lavoro, il calore introdotto. Confronto tra il rendimento di un ciclo inter-refrigerato e quello di un ciclo turbogas semplice nel caso ideale e reale.
  • il ciclo turbogas con espansione inter-riscaldata: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s, espressione del lavoro di compressione e la condizione di minimo lavoro, il calore introdotto.

Cogenerazione

  • Definizione di cogenerazione: le prestazioni di un sistema cogenerativo, i rendimenti elettrico e termico e totale, il Primary Energy Saving (PES), il piano dei rendimenti e le curve a PES e rendimento totale costante.
  • La cogenerazione con turbina a gas: schema dell'impianto, espressione della potenza elettrica e termica, diagramma entropico e di scambio termico. Considerazioni su come rendere flessibile un sistema cogenerativo con turbogas: il bypass, la torre di raffreddamento e la post-combustione.
  • La cogenerazione con turbina a vapore in contropressione e a condensazione. Schemi di impianto, diagrammi entropici, espressione della potenza elettrica e termica prodotta. Considerazioni sulle modalità di regolazione dei sistemi cogenerativi a vapore al variare della richiesta termica ed elettrica.
  • La cogenerazione con ciclo combinato gas-vapore: schema dell'impianto e prestazioni al variare della richiesta termica ed elettrica.

 

 

 

Testi/Bibliografia

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

Metodi didattici

Le lezioni sono di tipo frontale in aula, con l'uso della lavagna tradizionale.

L’insegnamento si compone di 6CFU, prevalentemente di tipo teorico; durante le lezioni vengono inoltre svolte alcune esercitazioni numeriche sugli argomenti principali del corso, ovvero turbogas, gruppi a vapore e cicli combinati. L’obiettivo delle esercitazioni numeriche è quello di far acquisire allo studente dimestichezza con le unità di misura utilizzate nel campo dell'energia e piena consapevolezza, anche dal punto di vista quantitativo, delle prestazioni dei sistemi di conversione dell'energia.

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 e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale della durata di circa 45 minuti durante i quali lo studente deve rispondere a due/tre quesiti sull'intero programma.

Nel corso del colloquio viene valutata la capacità dello studente di:

  • - utilizzare correttamente le equazioni della termodinamica;
  • - descriverne il funzionamento delle macchine e dei sistemi;
  • - giustificarne l’architettura di macchine e sistemi;
  • - 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 di Sistemi Energetici T (6 CFU) è uno dei due moduli che, insieme al corso di Macchine T (6 CFU), costituisce il corso integrato di Macchine e Sistemi Energetici T (12 CFU).

La votazione che verrà verbalizzata sarà data dalla media aritmetica delle singole votazioni che lo studente avrà ottenuto nei due moduli. Se il risultato della media presenta il numero decimale 0.5 la votazione sarà arrotondata all’intero superiore. Il “30 e lode” viene associato al numero 31. Di conseguenza, per ottenere come valutazione finale “30 e lode” lo studente dovrà essere in uno dei due seguenti casi:

  • avere ottenuto “30 e lode” in entrambi i moduli
  • avere ottenuto “30 e lode” in un modulo e 30 nell’altro.

Il calendario delle prove è reso disponibile con ampio anticipo sulla piattaforma web AlmaEsami dell'Ateneo di Bologna. L’iscrizione all’appello è possibile da 7 a 2 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 materiale didattico presentato a lezione sotto forma di slide verrà messo a disposizione degli studenti in formato elettronico tramite internet (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