87299 - SISTEMI ENERGETICI T

Conoscenze e abilità da conseguire

Studio dei gruppi turbogas a ciclo di Brayton. Ottimizzazione delle grandezze caratteristiche (rendimento e lavoro specifico) in funzione del rapporto di compressione e della temperatura massima. Gruppi turbogas bialbero. Accoppiamento compressore turbina. Regolazione e gestione dei gruppi turbogas. Impianti a vapore con surriscaldamento, risurriscaldamento e rigenerativi. Ottimizzazione termodinamica di rendimento e lavoro in funzione delle grandezze caratteristiche di funzionamento. Regolazione dei gruppi a vapore. Studio di gruppi combinati: grandezze di uso comune, principali tipologie di impianti. Ottimizzazione termoeconomica di gruppi combinati. Dimensionamento del bottomer per diversi livelli di pressione per assegnata taglia di turbina a gas. Utilizzo di codici di calcolo per la valutazione delle prestazioni di gruppi a ciclo combinato gas-vapore.

Contenuti

Introduzione e richiami di termodinamica

 

Turbogas

• Il ciclo Brayton: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul piano T-s (caso ideale e reale), espressione del lavoro di compressione e di espansione, del lavoro utile, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico. Il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento.
  
• Schema della camera di combustione, definizione di aria primaria e secondaria. Calcolo del rapporto aria/combustibile e dell’eccesso d’aria in un turbogas. Bilancio energetico in camera di combustione.
• Il rendimento totale del gruppo turbogas in funzione dei rendimenti termodinamico, organico, ausiliari, camera di combustione.

Gruppi a vapore

• Il ciclo Rankine: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico.
• Il condensatore e gli effetti dell'abbassamento della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo termodinamico. Il diagramma di scambio termico nel condensatore e considerazioni sulla minima pressione di condensazione. Il ruolo del degassatore in un ciclo a condensazione.
• Il ciclo di Hirn: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s, espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Rankine e il ciclo Hirn e considerazioni sull’uso del surriscaldamento per superare i limiti del ciclo di Rankine.
• Il ciclo risurriscaldato: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, confronto tra il ciclo Hirn e il ciclo e considerazioni sulla convenienza del ri-surriscaldamento.
• Il ciclo a vapore ad uno spillamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione del lavoro di espansione, del calore introdotto, del calore scaricato e del rendimento termodinamico, calcolo della portata di spillamento. Confronto tra il ciclo a vapore con e senza spillamenti in termini di lavoro, calore e rendimento. Definizione di grado di rigenerazione e andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione.
• Il ciclo a vapore a tre spillamenti con ri-surriscaldamento: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma T-s., espressione della potenza prodotta dalla turbina, della potenza introdotta in caldaia, della potenza scaricata nel condensatore, bilanci energetici negli scambiatori rigenerativi e nel degassatore, considerazioni sulla linea di rigenerazione e sull'utilizzo di scambiatori a superficie o a miscela. Andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione nel caso di più spillamenti.

Generatore di vapore

• Caldaia ad irraggiamento: schema, disposizione dei fasci tubieri in camera di combustione e nella zona convettiva e relativo diagramma di scambio termico.

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.
• Ottimizzazione del ciclo a vapore in un ciclo combinato: il diagramma di scambio temperatura-entalpia, la scelta della pressione di vaporizzazione, della pressione di condensazione, considerazioni sul ciclo a vapore e sull’uso degli spillamenti. La post-combustione e il suo legame con la temperatura di scarico dei fumi e con la produzione di vapore.
• Ciclo combinato a due livelli di pressione: schema dell’impianto, rappresentazione degli stati fisici sul diagramma temperatura-entropia, espressione della potenza prodotta ed introdotta, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero.

Esercitazioni numeriche sui gruppi turbogas sui gruppi a vapore e sui cicli combinati gas-vapore.

Approfondimenti sulle Turbomacchine.

• Le equazioni di Hugoniot. Equazione di Eulero per uno stadio. Equazione alle differenze di energia cinetica.

• Lo stadio ad azione: i triangoli di velocità, il lavoro massimo, rappresentazione degli stati fisici ingresso/uscita.  Lo stadio a reazione delle turbine assiali; triangoli di velocità, lavoro massimo e relativi triangoli di velocità.
• La turbina di De Laval ad azione semplice. La turbina a due salti di velocità. La turbina a reazione.

Testi/Bibliografia

1. Appunti di lezione
2. Dispense integrative rese disponibili sulla piattaforma Virtuale dell'Ateneo di Bologna, https://virtuale.unibo.it/
3. Testi: " Sistemi Energetici e Macchine a Fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi A. Peretto-Pitagora Editore.

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula. La frequenza è consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni ma non incide sul processo di valutazione finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento controlla la qualità del conseguimento degli obbiettivi formativi del corso con particolare riguardo a:

1. Conoscenza dei principi termodinamici applicati alla conversione di energia o al trasferimento di energia nelle macchine a fluido.

2. Conoscenza dei principi funzionali ed operativi e dei campi di applicazione delle macchine a fluido trattate

3. Accuratezza e rigore nella derivazione di principi o relazioni con particolare attenzione nella chiarezza di esposizione e definizione di obiettivi, ipotesi e risultati.

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale in cui sono tipicamente sottoposte allo studente due domande. Lo studente è chiamato ad esporre concetti, dimostrazioni e principi funzionali delle macchine integrandoli con diagrammi termodinamici e di layout delle stesse.

La votazione è espressa in trentesimi: la votazione minima è pari a 18/30, al votazione massima è pari a 30/30 con lode. La votazione minima per il superamento dell'esame viene assegnata se è verificata la conoscenza di tutti gli argomenti oggetto di verifica e non sono presenti gravi lacune inerenti, ad esempio, conoscenze fisiche e termodinamiche di base, conoscenza dei principi minimi funzionali di una macchina o dei diagrammi relativi al ciclo operativo, ecc.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite piattaforma VIRTUALE

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lisa Branchini