45246 - IMPIEGO INDUSTRIALE DELL'ENERGIA E COGENERAZIONE LS

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le metodologie per affrontare la progettazione delle più diffuse tipologie di macchine a fluido e sistemi energetici, evidenziandone aspetti pratici di gestione e controllo

Contenuti

Turbine a gas

Richiami sulle turbine a gas : il piano lavoro specifico – rendimento, scelta del rapporto di compressione ottimale, limiti alla portata in massa aspirata da un compressore assiale e centrifugo e limiti alla potenza di un turbogas, le perdite interne ed esterne di un compressore, il rendimento politropico in funzione del numero di giri caratteristico e della taglia della macchina, le perdite interne nell'espansione, il recupero dell'energia cinetica allo scarico di una turbina.

Raffreddamento turbine a gas : aspetti termodinamici dell'espansione raffreddata, i materiali delle turbine a gas, tecniche di raffreddamento delle pale di una turbina a gas (convezione, film, impigement e traspirazione), definizione di COT, TIT e TITiso, calcolo della portata di aria per il raffreddamento di una schiera statorica e rotorica.

Off design  di un turbogas : le prestazioni in fuori progetto di un compressore, cenni sul pompaggio di un compressore, le prestazioni in fuori progetto del compressore e della turbina, le mappe caratteristiche, la portata e la velocità ridotta, effetto della temperatura ambiente sulle prestazioni di una turbina a gas.

Accoppiamento compressore/turbina: la regolazione della potenza di un gruppo turbogas: monoalbero e pluri-albero a geometria fissa e variabile

Approfondimenti sui turbogas : effetto, sulle prestazioni del turbogas, delle perdite di pressione all'ingresso del compressore, in camera di combustione e allo scarico della turbina.

Turbogas con recupero di calore : diagramma TS, schema, considerazioni termodinamiche e aspetti pratici, il caso delle micro turbine a gas.

Turbogas con compressione inter-refrigerata : Schema,  lavoro e rendimento del ciclo ideale in confronto con il Brayton, lavoro e rendimento del ciclo realie rispetto al Brayton, esempi di applicazioni.

Turbogas con espansione inter-riscaldata : schema,  lavoro e rendimento del ciclo ideale in confronto con il Brayton, lavoro e rendimento del ciclo realie rispetto al Brayton, esempi di applicazioni. Altri cicli complessi: il ciclo turbogas IC-R, IC-R-RH, Ericson, il turbogas Wet Inter Cooling.

I cicli turbogas misti : il ciclo turbogas con iniezione di vapore (STIG), il ciclo a recupero con iniezione di acqua (RWI) Impiego aeronautico del turbogas: potenza fornita al fluido, potenza e rendimento propulsivo, la spinta, la condizione di massima potenza, la potenza propulsiva espressa per un turbofan, il grado di fan, la scelta del motore in funzione della velocità del velicolo.

Utilizzo dell'idrogeno in turbine a gas. la temperatura stechiometrica di fiamma, la necessità della diluizione, gli effetti sulle turbomacchine.

 

Cogenerazione

Considerazioni generali e normativa . La cogenerazione di tipologia "topping" e "bottoming", il rendimento elettrico, il rendimento termico, il coefficiente di utilizzo del combustibile, l'indice elettrico, l'IRE.

Prestazioni di un sistema cogenerativo: il piano rendimento termico vs rendimento elettrico, l'evoluzione e gli aspetti della normativa: dal CIP6/92 alla delibera 42/02. Scela dei rendimenti di riferimento della produzione separata, il limite termico.

Le novità della direttiva europea 2004/8/CE, il concetto di elettricità da cogenerazione, i rendimenti di riferimento della decisione 2007/74/CE. I benefici previsti dalla legge per la cogenerazione ad alto rendimento.

I numeri della cogenerazione in Italia, la suddivisione per tecnologie e per combustibile.

I sistemi cogenerativi. La cogenerazione con turbine a gas: la caldaia a recupero, il camino di by-pass, la post-combustione, considerazioni sulla valutazione dell'IRE energetico in funzione delle condizioni di esercizio del sistema cogenerativo.

Schema di un sistema cogenerativo con turbina a vapore in contropressione: considerazioni sulle prestazioni energetiche, sulla gestione  termo-economica e sui valori di IRE e LT. Schema di un sistema cogenerativo con turbina in derivazione: considerazioni sulle prestazioni energetiche, sulla gestione termo-economica e sui valori di IRE e LT. Cogenerazione con cicli combinati: considerazioni sulle prestazioni energetiche, sulla gestione termo-economica e sui valori di IRE e LT

Frigoriferi ad assorbimento . I gruppi frigoriferi ad assorbimento a bromuro di litio, schema del sistema a semplice e a doppio effetto, il diagramma di stato della miscela acqua-BrLi. Cenni ai frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca ed acqua.

Considerazioni economiche. Il costo variabile di produzione di un sistema cogenerativo: il costo del combustibile, la manutenzione, le tasse sulle emissioni. La valorizzazione dell'energia termica prodotta da un cogeneratore: autoconsumo o produzione di energia frigorifera. La valorizzazione dell'energia elettrica: autoconsumo, immissione in rete, utilizzo in pompa di calore.

 

 

La generazione distribuita

Celle a Combustibile . Definizione di cella a combustibile e motivi dello sviluppo; classificazione delle celle a combustibile in base al tipo d'elettrolita (solido/non solido e temperatura di funzionamento); caratteristiche generali e funzionamento: reazione chimica anodica/catodica per celle di tipo AFC, PAFC, PEM, SOFC, MCFC; termodinamica reversibile di cella: massimo lavoro estraibile dall'energia libera di Gibbs, tensione reversibile di cella espressa attraverso l'eq. di Nernst; termodinamica irreversibile di cella: curva di polarizzazione, perdite per attivazione, perdite ohmiche, perdite per concentrazione; calcolo del rendimento di cella attraverso rendimento di cella reversibile, rendimento di tensione e coefficiente di utilizzo combustibile; andamento grafico delle curve di potenza e andamento grafico del rendimento al variare della potenza: compromesso fra alto rendimento e alta densità di potenza.

I motori a ciclo Stirling : considerazioni termodinamiche sul ciclo e confronto con Carnot, le diverse configurazioni architettoniche ("a guida cinematica" e "free-piston"), principali problematiche.

I cicli Rankine a fluido organico e a vapor d'acqua : c onsiderazioni di carattere generale e esempi applicativi.

Cenni ai sistemi termofotovolataici (TPV) e ai sistemi termoelettrici .

Espansione del gas naturale. Le potenzialità energetiche dell'espansione del gas naturale.

 

 

 

ESERCITAZIONI

Applicazione di tecniche CFD alla combustione nelle turbine a gas. Richiami sui principali aspetti architettonici e funzionali dei combustori: rapporto di equivalenza, temperatura di combustione, swirl. Simulazione di un combustore tubolare con un codice commerciale: calcolo dell'aerodinamica e del flusso reattivo in assenza di swirl; determinazione della zona di reazione e distribuzione di temperatura interna. Simulazione dell'aerodinamica e del flusso reattivo in presenza di swirl, valutazione dell'effetto della variazione della temperatura di parete e del rapporto di equivalenza. Calcolo dell'andamento della temperatura lungo l'asse  ed in piani trasversali.  Simulazione di un combustore tubolare: valutazione dell'effetto della variazione della composizione del combustibile.

 

Dimensionamento di una turbomacchina . C ompressore assiale (diagramma h-s e triangoli di velocità); curve caratteristiche dello stadio di compressore assiale  p=f(  ,SF) e  =f(  p/  ); Turbomacchine: accoppiamento degli stadi di un compressore assiale: curva di prestazione di un compressore pluristadio partendo dalle curve dei songoli stadi; accoppiamento fluidodinamico tra compressore e turbina. Dimensionamento di un compressore assiale pluristadio: vincoli progettuali, scelta della velocità di rotazione, calcolo del numero degli stadi, calcolo delle aree di ingresso ed uscita da ogni stadio, valutazione dei triangoli di velocità al raggio medio, al raggio di testa ed al raggio al mozzo, criteri di verifica.

Realizzazione di un codice di calcolo in VBA per Excel per il dimensionamento  di un compressore assiale.

 

Testi/Bibliografia

'Sistemi Energetici e macchine a fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto

III Edizione – Pitagora Editore

 

'Sistemi energetici - complementi", M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto

I Edizione – Pitagora Editore

 

Dispense messe a disposizione dal docente

Metodi didattici

Il corso sarà affiancato da esercitazioni numeriche e da seminari di approfondimento di alcune tematiche tenute da esperti del settore. E' inoltre prevista una visita presso un sito produttivo.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale

Strumenti a supporto della didattica

 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi