31399 - SISTEMI ENERGETICI T

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, di norma, superando l’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 italiane per seguire con profitto il corso e per poter utilizzare il materiale didattico fornito.

 

Programma

 

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., la rappresentazione del calore e del lavoro sul diagramma T-s. La compressione reale, isoentropica e politropica, espressione del rendimento politropico, andamento del rendimento isoentropico e politropico in funzione del rapporto di compressione. La compressione sul piano T-s. Considerazioni sul lavoro di recupero. La espansione reale, isoentropica e politropica, il lavoro reale, politropico ed isoentropico, espressione del rendimento isoentropico e politropico di espansione, andamento del rendimento isoentropico e politropico in funzione del rapporto di compressione. L'espansione sul piano T-s. Considerazioni sul lavoro di contro-recupero.

Turbogas

Descrizione dei principali componenti di un gruppo turbogas. Il ciclo di Brayton ideale e reale: gli stati fisici di fine compressione ed espansione, il lavoro e il rendimento termodinamico, il piano rendimento-lavoro, il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento. Influenza della temperatura massima del ciclo sul rendimento e sul lavoro termodinamico.

Il bilancio energetico in camera di combustione e il rendimento della camera di combustione. Definizione di rendimento totale con riferimento al potere calorifico inferiore.

Esercitazione numerica sui turbogas: calcolo delle prestazioni (grandezze specifiche e totali) al variare del rapporto di compressione, della temperatura massima ed dei rendimenti politropici, delle temperature isoentropiche e reali di fine compressione ed espansione. Calcolo dei rendimenti isoentropici, del calore introdotto, del lavoro utile, del rendimento termodinamico del ciclo, della potenza utile, della potenza termica, del rendimento totale e del consumo specifico.

Combustione

I combustibili solidi, liquidi e gassosi. Le reazioni di combustione, il bilancio in volume ed in massa, calcolo dell’aria stechiometrica, definizione di eccesso d’aria. La composizione dei fumi: emissioni di CO2 per unità di energia messa a disposizione dal combustibile. Il potere calorifico: definizione, LHV e HHV, considerazioni numeriche sul metano. Calcolo della temperatura di media di combustione: l’influenza dell’eccesso d’aria, del potere calorifico e della superficie irraggiata. Il problema della rugiada acida nei combustibili contenenti zolfo.

Scambiatori di calore

Definizione ed espressione del coefficiente globale di scambio termico, calcolo della temperatura di parete, il metodo del salto medio logaritmico per la progettazione e la verifica degli scambiatori, il diagramma di scambio termico in contro ed equicorrente. L’efficienza di uno scambiatore, l’efficienza con superficie di scambio infinita, l’influenza della capacità termica dei fluidi.

Gruppi a vapore

Descrizione dei principali componenti di un gruppo a vapore. Il ciclo Rankine: il rendimento e il lavoro del ciclo ideale, problematiche dell'espansione con fluido bifase, la condensazione. 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 del ciclo. Il rendimento termodinamico di un ciclo Hirn come media pesata dei sottocicli: confronto con il ciclo Rankine. Le pompe di estrazione della condensa e le pompe di alimento caldaia. Schema di un ciclo a vapore risurriscaldato. La convenienza del risurriscaldamento in termini di titolo e rendimento rispetto ad un ciclo Hirn, il ruolo del degassatore. Il rendimento di un ciclo a vapore espresso come media pesata dei rendimenti dei cicli che lo compongono. Il ciclo a vapore ad uno spillamento: il lay-out dell'impianto, 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: espressione delle potenze e del rendimento, 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.

Esercitazione sui gruppi a vapore: calcolo delle prestazioni di un ciclo Rankine, effetti dell’abbassamento della pressione di condensazione e dell’aumento della pressione di vaporizzazione; calcolo delle prestazioni di un ciclo Hirn, del rendimento come media pesata dei rendimenti dei sottocicli; calcolo delle prestazioni di un ciclo con risurriscaldamento al variare della pressiore di risurriscaldamento; calcolo delle prestazioni di un ciclo surriscaldato ad uno spillamento e del grado di rigenerazione ottimale.

Generatori di vapore

Il rendimento di un generatore di vapore valutato per via diretta e 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 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, l’utilizzo del preriscaldatore d’aria. Il carico termico e 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 termodinamico 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. Ciclo combinato a due livelli di pressione: schema e diagramma di scambio della caldaia a recupero.

Esercitazione numerica sui cicli combinati: determinazione degli stati fisici del ciclo a vapore al variare della pressione di vaporizzazione; determinazione del lavoro specifico sia del ciclo a vapore che di quello turbogas, della temperatura di uscita dei gas dalla caldaia a recupero, dell'efficienza della caldaia a recupero e del rendimento termodinamico del ciclo a vapore per i diversi casi di studio; scelta della pressione di vaporizzazione ottimale e calcolo del rendimento totale e del rapporto tra la potenza erogata dal gruppo a vapore e quella erogata dal turbogas.

Cicli Turbogas complessi

Turbogas con recupero di calore: diagramma TS, schema, considerazioni sull’entità del recupero, calcolo del rapporto di compressione limite, esempi applicativi.

Gruppo turbogas con intercooler: layout, descrizione e diagramma T-s. Condizione di massimo rendimento termodinamico per valori inferiori alla condizione di massimo lavoro. Vantaggi e svantaggi del ciclo con intercooler.

Testi/Bibliografia

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

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 6CFU, tutti di lezioni frontali. All'interno di tali lezioni vengono svolte esercitazioni numeriche sugli argomenti principali del corso, ovvero turbogas, gruppi a vapore e cicli combinati.

L’obiettivo delle esercitazioni numeriche èprincipalmente quello di far acquisire allo studente dimestichezza con le unità di misura utilizzate nel campo dell'energia e piena consapevolezza, dal punto di vista quantitativo, delle prestazioni dei sistemi di conversione dell'energia.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame di fine corso mira a valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici:

- conoscere i combustibili e della combustione;

- conoscere i sistemi per la conversione di energia da combustibile;

- conoscere le principali macchine a fluido che compongono un sistema energetico.

Il voto finale del corso viene definito, mediante una prova orale, sulla media dei voti riportati in tre quesiti specifici su argomenti inerenti i principali obiettivi del Corso.

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