29932 - MACCHINE A FLUIDO T

Conoscenze e abilità da conseguire

Fare acquisire allo studente la conoscenza dei principi di funzionamento delle macchine maggiormente impiegate nei sistemi energetici a combustibile fossile per la produzione di potenza elettrica e termica, con particolare riferimento a generatori di vapore, condensatori, scambiatori di calore in genere e macchine a fluido comprimibile e non.

Contenuti

MODULO 1 (30 ore, valido per gli studenti di Ingegneria Chimica e Biochimica, corso di Macchine a Fluido T, e di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio, corso di Conversione ed Utilizzazione dell’Energia T – Docente: Maria Alessandra Ancona)

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.

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. Il diagramma di scambio termico. La definizione di efficienza di scambio nel caso controcorrente ed equicorrente in funzione della diversa capacità termica dei fluidi.

Turbogas: Schema impiantistico di un gruppo turbogas a ciclo di Brayton. Principio di funzionamento di compressore, turbina e camera di combustione. Andamento, nel caso a cp costante, di lavoro e rendimento di un gruppo turbogas in funzione del rapporto di compressione del ciclo, del rendimento politropico e della TIT. Caso reale e isoentropico. Ciclo di Brayton nel diagramma T-s.

Combustione: Le reazioni stechiometriche di combustione, calcolo della portata in massa di ossigeno stechiometrico e di aria stechiometrica. Definizione di eccesso d'aria e di rapporto di equivalenza. 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. Bilancio energetico in camera di combustione.

Gruppi a vapore: generalità, principio di funzionamento e schema. Influenza dell'abbassamento della pressione di condensazione di un gruppo a vapore sul rendimento termodinamico. Schema di gruppo a vapore risurriscaldato, diagramma T-s. Schema di gruppo a vapore a tre spillamenti e diagramma T-s. Bilanci termici negli scambiatori rigenerativi. Espressione della potenza complessiva e del rendimento.

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.

Gruppi frigoriferi a compressione: Schema impiantistico di un gruppo frigorifero a doppia compressione e principio di funzionamento. Rappresentazione del ciclo sul diagramma pressione-entalpia e definizione di Energy Efficiency Ratio. I fluidi frigoriferi e il loro impatto ambientale (Ozone Depletion Potential, Global Warming Potential, Total Equivalent Warming Impact).

Energia eolica: I generatori eolici e il limite di Betz, studio anemologico di un sito.

 

Per gli studenti di Ingegneria Chimica e Biochimica

MODULO 2 (10 ore – Docente: Maria Alessandra Ancona, valido solo per gli studenti di Ingegneria Chimica e Biochimica)

Cogenerazione: Introduzione alla cogenerazione, le prestazioni di un sistema cogenerativo, il confronto con la produzione separata. Cenni sui diversi tipi di sistemi cogenerativi e sulla normativa.

Generatore di vapore: Caldaia ad irraggiamento: schema della macchina, disposizione dei fasci tubieri in camera di combustione e nella zona convettiva. Il rendimento di un generatore di vapore.

Turbine idrauliche: classificazione degli impianti idroelettrici. Turbine Pelton, Francis, elica e Kaplan (schemi e principi di funzionamento, prestazioni).

 

MODULO 3 (20 ore – Docente: Saverio Ottaviano, valido solo per gli studenti di Ingegneria Chimica e Biochimica)

Lo stadio di una turbomacchina. Equazioni del moto dei fluidi per condotti fissi. Le grandezze totali e la velocità del suono, regimi di moto. Il chocking. Portata massima, parametro di flusso. Equazioni di Hugoniot. Condotto convergente e convergente divergente, diagramma h-s. Equazione di Eulero per uno stadio. Equazione alle differenze di energia cinetica. Grado di reazione. Stadio ad azione e stadio a reazione.

Turbine assiali a vapore (cenni). Turbina di De Laval ad azione semplice, turbina a due salti di velocità, Turbina a salti di pressione, turbina a reazione.

Turbogas con recupero di calore. Schema e principio di funzionamento. Diagramma T-s. Diagramma di scambio termico nel recuperatore. Rapporto di compressione limite.

Cicli Rankine a fluido organico (ORC). Schema, principio di funzionamento, diagramma T-s. Fluidi di lavoro e differenze con il ciclo a vapore d’acqua. Ciclo ORC con recupero di calore. Taglie, prestazioni, applicazioni.

Uso dell’idrogeno nelle turbine a gas. Confronto fra proprietà dell’idrogeno e del gas naturale.

Motori a combustione interna (cenni). Motori a combustione interna per uso stazionario in assetto cogenerativo.

 

Per gli studenti di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio, corso di Conversione ed Utilizzazione dell’Energia T

MODULO 2 (30 ore – Docente: Pier Luigi Ribani, valido solo per gli studenti di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio)

Teoria generale

Dalla teoria dei campi alla teoria dei circuiti, leggi di Kirchhoff, potenza elettrica, generatore di tensione e di corrente indipendente, resistore, induttore, condensatore. Regime di corrente alternata.

Produzione della energia elettrica

Macchina sincrona: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento come generatore e compensatore. Generatore fotovoltaico.

Trasporto e distribuzione della energia elettrica

Linee elettriche monofase e trifase, linee trifase con il filo neutro. Il problema del rifasamento. Trasformatore: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento, circuito elettrico equivalente, trasformatori trifase.

Uso dell'energia elettrica

Macchina asincrona: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento, circuito elettrico equivalente, caratteristica meccanica ed elettromeccanica. Cenni al controllo della velocità ed ai problemi di avviamento. Cenni di sicurezza elettrica: protezione dai contatti indiretti. Protezione dalle sovracorrenti

Testi/Bibliografia

Per Macchine a Fluido T e per il Modulo 1 di Conversione ed Utilizzazione dell'Energia T:

"Sistemi Energetici" 1 – MACCHINE A FLUIDO, G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici" 2 – COMPLEMENTI, M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici" 3 – IMPATTO AMBIENTALE, M. Bianchi, A. De Pascale, A. Gambarotta, A. Peretto – Pitagora Editore

 

Per il Modulo 2 di Conversione ed Utilizzazione dell'Energia T - Principi di ingeneria elettrica: per i soli studenti del CdS in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

G. Fabricatore, Elettrotecnica ed applicazioni, Ed. Liguori, 1994.

G. Rizzoni, Elettrotecnica: principi e applicazioni, McGraw-Hill, 3a edizione, 2013.

A.R. Hambley, Elettrotecnica, Pearson Paravia Bruno Mondadori, 4a edizione 2009.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Per Macchine a Fluido T e per il Modulo 1 di Conversione ed Utilizzazione dell'Energia T:

Le conoscenze acquisite dagli studenti verranno verificate tramite un test scritto più una prova orale.

 

Per il Modulo 2 di Conversione ed Utilizzazione dell'Energia T - Principi di ingeneria elettrica: per i soli studenti del CdS in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

Le conoscenze acquisite dagli studenti verranno verificate tramite una prova orale.

Strumenti a supporto della didattica

Slides/Appunti dei Docenti che verranno messi a disposizione sull'applicativo Virtuale al termine di ogni lezione.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maria Alessandra Ancona

Consulta il sito web di Saverio Ottaviano