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

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. Unità di misura dell'energia.

 

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

Il ciclo di Brayton ideale (isoentropico) e reale (politropico), 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.

 

Combustione

I combustibili solidi, liquidi e gassosi. Le reazioni di combustione, il bilancio in volume ed in massa, calcolo dell'aria stechiometrica, l'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, l'esempio del metano. Calcolo della temperatura di combustione e dell'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, il diagramma di scambio termico in contro ed equicorrente. L'efficienza di uno scambiatore, efficienza con superficie di scambio infinita, influenza della capacità termica dei fluidi. Cenni allo scambio in correnti incrociate.

 

Gruppi a vapore

Il ciclo Rankine: descrizione dei principali componenti, la necessità di utilizzare un 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. Cenni ai cicli a vapore ipercritici. 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, 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 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.

Il ciclo a vapore a tre spillamenti: 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.

 

Generatore 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.

Il carico termico e i limiti imposti dal tempo di combustione. Legame tra il carico termico e la temperatura di combustione.

Cenni alle caldaie supercritiche.

 

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.

 

Introduzione alle turbomacchine

Introduzione allo studio delle turbomacchine: classificazione delle macchine operatrici e motrici, espressione del lavoro di una turbomacchina come differenza di energia cinetica e secondo Eulero, considerazioni sul flusso centrifugo/centripeto e sulla geometria dei palettamenti mobili di una turbomacchina, i triangoli di velocità.

 

Pompe centrifughe

Le pompe centrifughe: espressione del lavoro di una pompa centrifuga in funzione della portata volumetrica elaborata dalla pompa, in funzione dell'angolo di uscita delle pale (pale avanti, radiali e all'indietro). Definizione di prevalenza di una pompa centrifuga; andamento delle perdite e della prevalenza in funzione della portata elaborata, calcolo della prevalenza a portata nulla. Legame tra prevalenza e incremento di pressione.

Il punto di funzionamento di una pompa centrifuga inserita in un circuito idraulico; pompe in serie ed in parallelo.

Il rendimento idraulico, volumetrico e totale di una pompa centrifuga, espressione della potenza e il diagramma collinare.

Il problema dell'adescamento di una pompa centrifuga. Calcolo della pressione all'aspirazione della pompa: il problema della cavitazione, la definizione dell'NPSH della pompa e dell'impianto, considerazioni sulle condizioni per le quali si verifica la cavitazione. Il problema dell'adescamento.

 

Esercitazioni numeriche :

-          Esercitazione sul gruppo turbogas a ciclo semplice: valutazioni delle prestazioni termodinamiche (temperature, rendimento isoentropico, calore fornito, lavoro specifico, rendimento termodinamico); influenza del rendimento politropico, del rapporto di compressione e della temperatura massima sulle prestazioni; potenza e rendimento totale; Heat Rate; costo dell'energia prodotta; emissioni di CO2.

-          Esercitazione sul gruppo a vapore:  valutazioni numeriche delle prestazioni in un  ciclo Rankine, delle prestazioni al diminuire della pressione di condensazione del ciclo Rankine, delle prestazioni in un ciclo Hirn e di in un ciclo risurriscaldato.

-          Esercitazione sul gruppo combinato monolivello: calcolo degli stati fisici del gruppo a vapore; calcolo del rendimento isoentropico della turbina a vapore; calcolo della pressione di vaporizzazione ottimale tramite metodo iterativo. Calcolo del lavoro specifico del  gruppo turbogas; calcolo del rapporto fra portata di vapore e portata dei fumi; diagramma di scambio termico; calcolo della temperatura dei fumi all'uscita dalla HRSG (T5 ); calcolo del rendimento totale di impianto.

Testi/Bibliografia

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

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi