A.A. 2018/2019 - INGEGNERIA DEI SISTEMI ENERGETICI M - Programma del corso (Modulo 1 + Modulo 2)
(Modulo 1) – Prof. Francesco Melino
FONTI ENERGETICHE: Classificazione delle fonti energetiche: primarie e secondarie, rinnovabili e non rinnovabili, trasportabili, programmabili, ecc; Classificazione dei sistemi di conversione da fonti di energia primaria ad energia utile (elettrica, termica ad alta e bassa temperatura, frigorifera).
TURBINE A GAS A CICLO SEMPLICE: Il gruppo turbogas a ciclo semplice: generalità, principali componenti (compressore, camera di combustione, turbina) e loro caratteristiche, impieghi. Analisi termodinamica del ciclo di Brayton: Il ciclo ideale (isoentropico) e reale (politropico), gli stati fisici di fine compressione ed espansione, il lavoro e il rendimento termodinamico, l'influenza del rapporto di compressione, dei rendimenti politropici e della massima temperatura del ciclo sul lavoro e sul rendimento termodinamico del ciclo, il piano rendimento termodinamico-lavoro, il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento termodinamico. Potenza e rendimento totale di un turbogas. Cenni sul rendimento del ciclo reale: l'influenza delle perdite di carico sulle prestazioni.
TURBINE A GAS A CICLO COMPLESSO: Il turbogas a ciclo di Brayton rigenerativo: schema, diagramma T-s, lavoro e rendimento termodinamico e confronto con il turbogas a ciclo semplice, efficienza dello scambiatore di calore rigenerativo e diagramma di scambio termico, limiti e condizioni per il recupero, considerazioni pratiche, cenni sulle microturbine a gas. Il turbogas con compressione frazionata inter-refrigerata: schema, diagramma T-s, lavoro, rendimento termodinamico e confronto con il turbogas a ciclo semplice, condizione di minimo lavoro specifico di compressione, analisi e considerazioni sul rendimento termodinamico nel caso di trasformazioni isoentropiche o politropiche, cenni sulle applicazioni del ciclo con intercooler. Il turbogas con espansione frazionata inter-riscaldata: schema, diagramma T-s, lavoro, rendimento termodinamico e confronto con il turbogas a ciclo semplice, condizione di minimo lavoro specifico di compressione, analisi e considerazioni sul rendimento termodinamico nel caso di trasformazioni isoentropiche o politropiche, cenni sulle applicazioni del ciclo con reheat. Cenni sui turbogas a ciclo complesso tipo: compressione frazionata inter-refrigerata + recupero di calore, compressione frazionata inter-refrigerata + espansione frazionata inter-riscaldata, ecc.
GRUPPI A VAPORE: Il ciclo termodinamico di Hirne: generalità, principali componenti (caldaia ad irraggiamento, turbina a vapore, condensatore) e loro caratteristiche, impieghi. Analisi termodinamica del ciclo di Hirne: diagramma T-s, il rendimento termodinamico ed il lavoro, influenza della pressione di condensazione, della temperatura massima del ciclo e della pressione di vaporizzazione sulle prestazioni. Cenni sul ciclo di Rankine: schema, diagramma T-s, possibili applicazioni. Potenza e rendimento totale di un gruppo a vapore. L’adozione del risurriscaldamento: schema, diagramma T-s, il rendimento termodinamico ed il lavoro, confronto con il ciclo di Hirne semplice, considerazioni sul titolo allo scarico della turbina. L’adozione degli spillamenti: schema, diagramma T-s, il rendimento termodinamico ed il lavoro, bilancio entalpico della linea rigenerativa, confronto con il ciclo di Hirne semplice nel caso di schema con uno spillamento, il degassatore (schema, impieghi, ecc), il grado di rigenerazione e il rendimento termodinamico al variare del numero degli spillamenti. Il gruppo a vapore con tre spillamenti e risurriscaldamento: schema, diagramma T-s, rendimento termodinamico, lavoro, potenza e rendimento totale, bilanci entalpici, considerazioni pratiche.
GRUPPI COMBINATI GAS-VAPORE: Gruppo combinato gas-vapore: generalità, principali componenti (caldaia a recupero) e loro caratteristiche, impieghi. Gruppo combinato gas-vapore ad un livello di pressione: schema, diagramma T-s, diagramma di scambio termico in caldaia, bilanci entalpici, potenza totale e rendimento totale, considerazioni sull’adozione del risurriscaldamento e degli spillamenti. Gruppo combinato gas-vapore ad due livelli di pressione: schema, diagramma T-s, diagramma di scambio termico in caldaia, bilanci entalpici, potenza totale e rendimento totale.
COGENERAZIONE: Concetti di base: schemi cogenerativi di tipo topper o di tipo bottomer, rendimento elettrico e termico, rendimento totale o fattore di utilizzo del combustibile. Normativa sulla cogenerazione: delibera AEEG 42/02 e la direttiva 2004/8/CE. Cogenerazione con Turbina a gas: schema, diagramma T-s, campo di funzionamento (considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti), adozione del camino di by-pass o della post-combustione. Cogenerazione con Turbina a vapore in derivazione: schema, diagramma T-s, campo di funzionamento (considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti), applicazioni. Cogenerazione con Turbina a vapore in contropressione: schema, diagramma T-s, campo di funzionamento (considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti), applicazioni. Cogenerazione con motore a combustione interna (cenni): schema, considerazioni sui livelli di temperatura disponibili.
(Modulo 2) – Ing. Lisa Branchini
FONTI ENERGETICHE: Considerazioni introduttive sui consumi mondiali di energia primaria, mix delle fonti energetiche, la produzione di energia elettrica. La situazione Italiana: energia elettrica prodotta, mix delle fonti energetiche, le rinnovabili e le loro peculiarità/problematiche. La strategia energetica nazionale, obiettivi e proiezioni al 2030
CICLI FRIGORIFERI: Introduzione ai cicli frigoriferi e definizione di coefficiente di prestazione di un ciclo frigorifero (o Energy Efficiency Ratio). Ciclo frigorifero a compressione semplice e a doppia compressione: layout, diagrammi T-s E Logp-h, bilanci energetici, potenza spesa per la compressione, potenza termica estratta dall'ambiente da raffreddare. Considerazioni sull'utilizzo del sottoraffreddamento. Confronto tra ciclo a doppia compressione e a singola compressione a parità di pressioni e di potenza termica estratta dall'ambiente da raffreddare. L'impatto ambientale dei fluidi frigoriferi: distruzione dell'ozono (ODP), l'effetto serra (GWP ed il TEWI).
ENERGIA GEOTERMICA e POMPE DI CALORE: descrizione e classificazione dei sistemi geotermici. I sistemi idrotermali a vapore dominante con scarico in ambiente e a condensazione: layout, diagramma T-s peculiarità e caratteristiche. I sistemi idrotermali Ad acqua dominante a vapore di flash e cicli binari: layout, diagramma T-s peculiarità e caratteristiche. Il consumo specifico di fluido. Impianti geotermoelettrici ibridi: integrazione con sistemi a combustibili fossili. Geotermoelettrico con turbogas, con gruppi a vapore e con cicli combinati. Considerazioni sulla potenza del sistema integrato e sul rendimento. Usi diretti dell'energia geotermica: sfruttamento del sottosuolo con pompe di calore. Architettura e caratteristiche di una PdC reversibile. tipologie di PdC.
CICLI RANKINE A FLUIDO ORGANICO (ORC): Layout ciclo semplice con e senza circuito intermedio. Caratteristiche, campi di applicazione vantaggi. Il confronto con cicli Rankine a vapore d'acqua. Tipologie di fluidi organici e le loro proprietà. Distinzione tra fluidi umidi, secchi ed isoentropici in base alla pendenza della curva limite superiore. Ciclo ORC con recupero. Potenza e rendimenti di un ciclo ORC: Il confronto tra ciclo ORC semplice e ciclo ORC recuperato.
IL RECUPERO ENERGETICO DA RIFIUTI: Visita al termovalorizzatore Il frullo (Granarolo). Dati di produzione e smaltimento in Europa ed in Italia. Le caratteristiche del rifiuto solido urbano. Il ciclo termico per il recupero di energia dai rifiuti solidi urbani. La corrosione. Parametri tipici di lavoro (pressione di evaporazione e temperatura di surriscaldamento) e caratteristiche peculiari (aspetti limitanti) del ciclo termico. Sistemi ibridi avanzati: integrazione di un WTE con un ciclo turbogas: tipologie di integrazione (lato acqua, lato fumi e mista). Vantaggi e svantaggi.
ENERGIA DA BIOMASSE: le biomasse: definizione, classificazione e suddivisione biomasse vegetali ed animali. Caratterizzazione delle biomasse in termini di umidità, frazione volatile e ceneri. Il potere calorifico delle biomasse secondo la formula semi-empirica di Dulong. I processi di recupero energetico delle biomasse in funzione del grado di umidità e del rapporto carbonio/azoto. I processi biochimici, termochimici e di estrazione di oli. Produzione di combustibili e combustione diretta delle biomasse.
ENERGIA EOLICA: La dimostrazione del limite di Betz, il coefficiente di potenza reale ed i fattori che determinano una riduzione della potenza estraibile. Calcolo del diametro del rotore in funzione della potenza nominale e della velocità media del vento in un dato sito. La curva di potenza di un aerogeneratore in funzione della velocità del vento. Cenni sullo studio anemologico di un sito e sulla densità di probabilità di Weibull. Componenti principali di un aerogeneratore ad asse orizzontale. Suddivisione degli aerogeneratori in funzione della taglia, della direzione dell'asse rispetto a quella del vento e del numero di pale.
ENERGIA IDRAULICA: Suddivisione impianti : bacino e acqua fluente, in base alla quota geodetica ed alla potenza prodotta. Calcolo del lavoro e della potenza idraulica teoricamente disponibile. Calcolo della Potenza elettrica: i diversi contributi di perdita. Suddivisione delle turbine idrauliche (Pelton, Francis e Kaplan) in base alla quota ed alla portata volumetrica. Architettura generale di una turbina idraulica: il distributore e la girante. Macchine Pelton: il bocchello, la spina doble ed il tegolo deviatore. Calcolo della velocità teorica in uscita dal bocchello. I triangoli di velocità per una macchina di tipo Pelton, la condizione di massimo lavoro. Il rendimento della macchina in funzione della portata volumetrica.
