28658 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI T-1

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

Il fabbisogno di energia e 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. Primo principio per il sistema chiuso. Definizione di energia interna. Lavoro del sistema chiuso. Definizione di entalpia. Primo principio per il sistema aperto. Irreversibilità ed entropia.  Rappresentazione grafica del calore e del lavoro sul T-s. 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

I combustibili solidi, liquidi e gassosi più impiegati nei sistemi termoelettrici. Le reazioni di combustione, il bilancio in volume ed in massa, calcolo dell'aria stechiometrica, definizione dell'eccesso d'aria.

Il potere calorifico inferiore e superiore: definizioni ed esempio numerico del metano.

Andamento del rendimento di combustione in funzione dell'eccesso d'aria.

Calcolo della temperatura media di combustione: la potenza ceduta per irraggiamento, la temperatura adiabatica di combustione, l'influenza sulla temperatura di combustione del potere calorifico, dell'eccesso d'aria, della superficie irraggiata e della portata di combustibile.

 

Scambiatori di calore a superficie

Il coefficiente globale di scambio termico. Lo scambiatore unidirezionale in contro corrente, la potenza termica scambiata in funzione della superficie di scambio e del salto di temperatura medio logaritmico.

Il diagramma di scambio termico, lo scambio controcorrente con superficie infinita, definizione di efficienza di scambio, lo scambiatore equicorrente, la temperatura di parete.

 

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, andamento del rendimento, del calore in funzione del rapporto di compresione. Influenza della temperatura massima del ciclo sul rendimento e sul lavoro termodinamico.

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

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

 

Gruppi a vapore

Introduzione ai gruppi a vapore, descrizione dei componenti principali, considerazioni sulla necessità di impiegare un condensatore.

Il ciclo Rankine: descrizione dei principali componenti, l'utilizzo del condensatore, il rendimento e il lavoro del ciclo ideale, problematiche dell'espansione con fluido bifase.

Il ciclo Hirn: il rendimento e il lavoro del ciclo ideale. Influenza della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo. I limiti pratici all'abbassamento della pressione di condensazione, diagramma di scambio termico di un condensatore. Influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un ciclo Rankine.

Il rendimento espresso come media pesata dei sottocicli: confronto Rankine - Hirn.

Schema di un ciclo a vapore risurriscaldato. La convenienza del risurriscaldamento in termini di titolo e rendimento rispetto ad un ciclo Hirn, la funzione del degassatore in un ciclo a vapore.

Considerazione sul rendimento di un ciclo a vapore come media pesata dei rendimenti dei cicli che lo compongono, introduzione del ciclo a vapore ad uno spillamento.

Il ciclo a vapore ad uno spillamento: il lay-out dell'impianto, il diagramma TS, il bilancio energetico dello scambiatore a miscela, espressione del lavoro, del calore introdotto e scaricato e del rendimento, confronto  con il ciclo Hirn, andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione per il caso con uno e più spillamenti.

Il ciclo a vapore a tre spillamenti: schema, diagramma T-s, considerazioni sulla scelta degli scambiatori rigenerativi.

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 indiretta, la perdita di calore sensibile al camino, l'andamento del rendimento in funzione dell'eccesso d'aria. Scherma del circuito dell'acqua in un generatore di vapore: disposizione dei fasci tubieri e calcolo della portata di circolazione nei vaporizzatori. Considerazioni sul grado di vuoto e sul coefficiente di scambio termico. Limiti inferiori al titolo di vapore in uscita dai vaporizzatori.

Evaporazione a bolle, tappi, film e nebbia: le condizioni imposte al titolo massimo nei tubi vaporizzatori, legame tra portata di circolazione e vapore prodotto, calcolo della portata di circolazione dell'acqua in caldaia nel caso di circolazione naturale e forzata.

Schema di una caldaia ad irraggiamento, disposizione dei fasci tubieri nel percorso dei fumi, il diagramma di scambio termico.

I limiti imposti dal tempo di combustione.

 

Cicli combinati gas/vapore

Schema di un ciclo combinato ad un livello di pressione, il diagramma T-s, espressione del rendimento totale di un ciclo combinato e sua dipendenza dai rendimenti termodinamici del turbogas e  della sezione vapore e dall'efficienza della caldaia a recupero.

Diagramma di scambio temperatura-potenza della caldaia a recupero. Il diagramma di scambio termico temperatura-entalpia, considerazioni sulla portata di vapore prodotta nella caldaia a recupero, il bilancio nell'economizzatore, nel vaporizzatore e nel surriscaldatore, influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un combinato, l'utilizzo degli spillamenti in un ciclo combinato.

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

Cogenerazione

Introduzione alla cogenerazione e definizioni. il rendimento elettrico e termico, il coefficiente di utilizzo del combustibile, l'Indice di Risparmio Energetico, il Limite Termico.

Evoluzione normativa dal CIP6/92 alla delibera AEEG 42/02, all'attuale 2004/8/CE: i rendimenti di confronto, l'elettricità da cogenerazione, i benefici per la cogenerazione ad alto rendimento (priorità di dispacciamento, defiscalizazione del combustibile, scambio sul posto, ecc.)

Il piano dei rendimenti per lo studio dei sistemi cogenerativi.

Considerazioni sui limiti del coefficiente di utilizzo del combustibile e sul rapporto tra il potere calorifico inferiore e superiore.

La cogenerazione con turbina a gas: schema dell'impianto, il camino di by-pass, la post combustione. Campo di funzionamento di un turbogas cogenerativo (piano della potenza termica ed elettrica). Considerazioni sulla gestione ottimale di un turbogas cogenerativo in funzione dei fabbisogni interni.

 

Cenni sui gruppi a vapore e sui cicli combinati cogenerativi.

MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

Introduzione

Cenni storici – Diesel vs Otto. Classificazione MCI. Descrizione del ciclo a 4 tempi (e a 2 tempi). Parametri motoristici. Architettura base e «scorcio» di MCI automobilistici attuali (EURO V/VI). Motivazioni e concetti di base. Sopralluogo in sala prove.

Analisi termodinamica del ciclo con l'ausilio dei diagrammi (T,s)

Introduzione all'analisi del ciclo termodinamico (cp, cv, k, …, trasformazioni, relazioni analitiche, calore e lavoro e loro rappresentazione grafica, determinazione del rendimento termodinamico, …) à ciclo Otto come esempio. Ciclo Otto e ciclo Diesel à definizioni e rappresentazione (T,s). Calcolo del rendimento termodinamico per il ciclo Otto e Sabathè. Confronto diagrammi (T,s) à ipotesi iniziale di pari rapporto di compressione e calore fornito, e successiva analisi critica (e più realistica). Determinazione per via termodinamica della temperatura media dei gas di scarico.

Analisi ciclo indicato

Diagramma di indicatore ideale (Otto, Diesel e Sabathè), ciclo limite e reale (ad accensione comandata e per compressione), lavoro e rendimento indicato, diagrammi logaritmici (compressione ed espansione, parte bassa del ciclo, …). Analisi effetti singoli in Matlab (passaggi ciclo indicato ideale à limite à reale). Pressione indicata (diagramma, apertura valvole, fasi, …). Diagramma di alzata valvole (anticipi e ritardi, l'incrocio, …). Coppia indicata, funzione di manovellismo. Pressione media indicata (PMI), coppia indicata media. Sollecitazioni termiche e inerziali. Effetti del frazionamento della cilindrata.

Determinazione della potenza per via termica

Lavoro netto sul ciclo (L0), rendimento meccanico, PME, coppia netta all'albero, potenza, rendimento totale, consumo specifico… analisi dell'espressione della potenza… Combustione, rapporto A/F, lambda, bilanciamento reazione di base (CH4, C43H84). Analisi e definizione dei vari rendimenti, rendimento volumetrico (o di carica), definizione tonalità termica per motori ad accensione comandata e per compressione. Determinazione della potenza per via termica. Conseguenze à Regolazione per quantità e per qualità (analisi della potenza, e della tonalità termica, al variare di lambda).

La regolazione e la ricerca dell'efficienza

Analisi di cicli in regolazione

• diagramma di indicatore à pompaggio
• modello di Willan à the part load curse

Motivazioni per:

• Downsizing (+ turbocharging per motori SI)
• Sistemi ibridi

Analisi cicli in regolazione + analisi indicating via Matlab.

Curve caratteristiche MCI

Parametri motoristici: range tipici per motori CI (Compression Ignition) e SI (Spark Ignition). Curve caratteristiche: coppia, potenza e consumo specifico. Esempi di applicazioni automobilistiche attuali. Rappresentazione collinare del consumo specifico o del rendimento (confronto SI vs CI).

Combustione

Combustione premiscelata vs combustione diffusiva.

Combustione in motori ad accensione comandata (SI)

Modalità nominale di combustione. Propagazione del fronte di fiamma. Fasi della combustione. Andamento corrispondente della pressione in camera.

• Detonazione. Fenomeno dell'autoaccensione e sue conseguenze.
• Principali parametri di controllo della combustione in motori SI:

·        Anticipo di accensione (SA): curve a ombrello, mappatura del valore ottimo di anticipo, effetti della velocità di rotazione sulla fase della combustione

·        Titolo della miscela (lambda): efficienza del catalizzatore à definizione e curva di CO, HC e NOx. Necessita' di un controllo in closed-loop. Schema del sistema base di controllo del titolo.

Analisi dei fattori maggiormente influenti sulla tendenza alla detonazione: anticipo di accensione, rapporto A/F, carico del motore, velocità di rotazione, rapporto di compressione, geometria della camera di combustione, temperatura e pressione ambiente, carburante. Test standardizzato di determinazione del numero di ottano (RON/MON) di un dato combustibile.

Combustione in motori ad accensione per compressione (CI)

Modalità nominale di combustione.

• Fasi della combustione (ritardo, combustione premiscelata, combustione diffusiva, completamento).
• Principali parametri di controllo della combustione in motori CI (cenni).

Emissioni inquinanti: normative, formazione e controllo

Normative Euro I-II-III-IV-V-VI (cenni). Meccanismi di formazione di HC, CO, NOx e particolato, in motori SI e in motori CI. Sistemi di abbattimento «attivi» e «passivi». Il catalizzatore trivalente (o solo ossidante). Filtri anti-particolato (cenni).

 

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: uno da 6 CFU tenuto dal prof. Michele Bianchi e uno da 3 CFU tenuto dal prof. Nicolò Cavina.

Entrambi i moduli prevedono lezioni di teoria e alcune lezioni in cui verranno presentati una serie di 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

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

Tale materiale dovrebbe essere stampato e portato a lezione. Per ottenere 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 Nicolò Cavina