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Francesco Melino

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/08 MACCHINE A FLUIDO

Direttore CIRI FRAME (FONTI RINNOVABILI, AMBIENTE, MARE ED ENERGIA)

Contenuti utili

A.A. 2019/2020 - INGEGNERIA DEI SISTEMI ENERGETICI M - Programma del corso

34631 - INGEGNERIA DEI SISTEMI ENERGETICI M – Programma del corso – AA 2019/2020

Prof. Francesco Melino

FONTI ENERGETICHE

Definizione di macchina e di sistema energetico; fonte di energia primaria, naturale, secondaria, energia utile; definizione di fonte di energia rinnovabile, programmabile, trasportabile; classificazione dei sistemi di conversione da fonti di energia primaria ad energia utile (elettrica, termica ad alta e bassa temperatura, frigorifera); il bilancio elettrico nazionale.

TURBINE a GAS (Ciclo di Brayton Semplice)

Schema, descrizione dei componenti, il ciclo di Brayton ideale e reale, calcolo della temperatura isentropica di fine compressione e di fine espansione, calcolo della temperatura di fine compressione e fine espansione secondo una trasformazione politropica; calcolo del lavoro di compressione, del lavoro di espansione, del lavoro utile e del calore introdotto; definizione del rendimento termodinamico per un ciclo di Brayton; Potenza e rendimento totale di un gruppo turbogas, rendimento meccanico, rendimento alternatore, rendimento ausiliari, potenza del turbogas, potenza meccanica, potenza elettrica lorda e potenza elettrica netta; potenza termica introdotta con il combustibile, rendimento della camera di combustione, bilancio semplificato camera di combustione, rapporto aria/fuel, calcolo della T3 in caso di rapporto aria/fuel stechiometrico e reale; rendimento totale di una turbina a gas; esempi di turbine a gas reali; analisi termodinamica del ciclo di Brayton, dipendenza del rendimento termodinamico da beta, T3 e rendimenti politropici; andamento del calore introdotto, lavoro utile e rendimento termodinamico al variare di beta (ciclo Brayton reale), scelta del beta, diagramma rendimento termodinamico in funzione del lavoro utile, cenni sulle turbine tipo Heavy Duty e Aeroderivate (caratteristiche e peculiarità); influenza T3 sul rendimento termodinamico, calcolo del rendimento termodinamico nel caso di ciclo di Brayton isentropico;

Schema semplificato di un compressore assiale, principio di funzionamento, definizione di rotore e statore, rapporto di compressione di stadio in relazione al rapporto di compressione totale; Schema semplificato di una turbina assiale, principio di funzionamento, definizione di rotore e statore, rapporto di espansione di stadio in relazione al rapporto di espansione totale; schema semplificato di una camera di combustione, principio di funzionamento, il liner; schema di una installazione reale di una turbina a gas, il condotto di aspirazione (filtro, silenziatore, riscaldatori aria, sistemi di fogging e di on-line wash) e il condotto di scarico, sistemi ausiliari (cenni sul compressore fuel e sul circuito lubrificazione); architettura reale delle turbine a gas (cenni su IGV, EGV, raffreddamento pale, ecc.).

Turbine a gas (Ciclo di Brayton con Recupero di Calore)

Schema, descrizione dei componenti, ciclo di Brayton rigenerativo, calcolo dell'efficienza termodinamica e confronto con il ciclo di Brayton di riferimento, diagramma di scambio termico dello scambiatore di calore e definizione di efficienza di scambio, influenza del rapporto di compressione e calcolo del beta limite, influenza dell'efficienza di scambio sul rendimento termodinamico; microturbine a gas (cenni): architettura (compressore centrifugo, turbina centripeta), caratteristiche, prestazioni.

Turbine a gas (Ciclo di Brayton con Compressione Frazionata Inter-refrigerata)

Schema, descrizione dei componenti, ciclo di Brayton con intercooler, calcolo del lavoro di compressione e confronto con il ciclo di Brayton semplice, calcolo del Beta di massimo lavoro utile, calcolo del rendimento termodinamico del ciclo, confronto con il Brayton semplice nel caso isentropico e nel caso reale; esempi di turbine a gas reali con ciclo di Brayton con intercooler.

Turbine a gas (Ciclo di Brayton con Espansione Frazionata Inter-riscaldata)

Schema, descrizione dei componenti, ciclo di Brayton con re-heat, calcolo del lavoro di espansione e confronto con il ciclo di Brayton semplice, calcolo del Beta di massimo lavoro utile, calcolo del rendimento termodinamico del ciclo, confronto con il Brayton semplice nel caso isentropico e nel caso reale.

Gruppi a Vapore (Ciclo di Hirne)

Ciclo a vapore di Hirne, layout, diagramma termodinamico, componenti (turbina a vapore, condensatore, pozzo caldo, generatore di vapore), rendimento termodinamico; bilancio del condensatore, diagramma di scambio termico, valutazione della pressione di condensazione, calcolo del rapporto tra portata di acqua di raffreddamento e portata di vapore scaricato dalla turbina; linea di alimento, pompa di estrazione, pompa di alimentazione, considerazioni; analisi termodinamica del ciclo di Hirne: scelta della pressione di vaporizzazione (impiego del diagramma h-s), della temperatura di surriscaldamento e delle pressione di condensazione.

Gruppi a Vapore (Ciclo di Hirne con ReHeat)

Schema, diagramma T-s, rendimento termodinamico, confronto con il ciclo di Hirne semplice, considerazioni sul titolo allo scarico della turbina a vapore.

Gruppi a Vapore (Ciclo di Hirne Rigenerativo)

Schema con uno spillamento (layout, diagramma Ts), degassatore (schema e funzionamento), espressione del lavoro e del rendimento termodinamico, confronto con il ciclo di Hirne semplice, scelta della pressione ottimale nel caso di un solo spillamento, grado di rigenerazione, andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione al variare del numero di spillamenti;

Gruppi a Vapore (Gruppo a Vapore 3 spillamenti + RH)

Schema, diagramma Ts, bilancio scambiatori della linea rigenerativa, potenza totale netta prodotta in turbina, rendimento totale netto.

Gruppi a Vapore (Componenti)

Cenni sull'architettura delle caldaie a irraggiamento, condensatori, torri di raffreddamento a umido (a circolazione forzata o naturale), a secco e ibride.

Ciclo Combinato Gas/Vapore

Principio di funzionamento, schema di un ciclo combinato ad 1 livello di pressione, diagramma Ts, diagramma di scambio termico in caldaia, espressione della potenza totale prodotta e del rendimento elettrico totale, il rendimento di recupero, rapporto tra potenza prodotta al topper e potenza prodotta al bottomer; bilancio entalpico (e di potenza) del surriscaldatore, vaporizzatore ed economizzatore, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero T-calore.

Ciclo Combinato Gas/Vapore a due livelli di pressione

Lay-out, diagramma Ts, diagramma di scambio termico in caldaia, suddivisione della portata, parametro m e dipendenza dai pinch-point, condizione di massimo rendimento totale (m=m*).

Energia Idroelettrica

Principio di funzionamento (potenza idraulica, definizione del rendimento idraulico e del rendimento della condotta forzata), classificazione delle turbine idrauliche in base al salto geodetico e alla portata volumetrica disponibile, il distributore e la girante.

Turbine Pelton

Schema dell'impianto, distributore, girante, pala Pelton, spina Doble, tegolo; calcolo della velocità teorica e reale in uscita dal distributore, il triangolo in ingresso e uscita dalla pala, espressione del lavoro secondo Eulero e condizione di massimo lavoro; calcolo del numero minimo di pale della ruota Pelton; rendimento idraulico di una turbina Pelton, mappa prestazioni V=f(n) e eta=f(V).

Turbine Francis

Schema di impianto, il distributore Fink, la girante, il diffusore, il cuscinetto Mitchel (cenni); triangoli di velocità in ingresso ed in uscita dalla girante, espressione del lavoro e del rendimento idraulico; calcolo del lavoro senza diffusore e con il diffusore; equilibratura delle spinte assiali; il grado di reazione (gr) e calcolo della velocità assoluta e di trascinamento in ingresso alla girante, considerazioni sull'incremento di portata; mappa prestazioni V=f(n) e eta=f(V).

Turbine Kaplan

Schema dell'impianto, distributore, girante, triangoli di velocità in ingresso e in uscita dalla pala; mappa prestazioni eta=f(V).

Impianti idroelettrici per pompaggio

Schema, calcolo dell'efficienza di round-trip, considerazioni energetiche ed economiche.

Impianti per lo sfruttamento dell'energia dal mare

Schema d'impianto per lo sfruttamento delle maree, (bacino, sbarramento e turbina idraulica), principio di funzionamento, calcolo dell'energia disponibile in funzione dell'escursione della marea e della superficie del bacino; impianti per lo sfruttamento del moto ondoso (sistema con galleggiante e sistema a colonna d'aria); impianti per lo sfruttamento delle correnti sottomarine; impianti per lo sfruttamento del gradiente termico dei mari; impianti per lo sfruttamento del gradiente osmotico.

Energia Eolica

Principio di funzionamento, andamento della pressione e della velocità del vento a monte e a valle dell'aerogeneratore, calcolo del lavoro teoricamente disponibile; Limite di Betz: potenza della vena di vento indisturbata e della sua densità di potenza, conservazione della portata e variazione della quantità di moto, calcolo della velocità c1, calcolo del coefficiente di potenza, condizione di massimo del coefficiente di potenza, curva di potenza di un aerogeneratore; efficienza aerodinamica di una pala eolica, triangoli di velocità in ingresso, forza sulla pala e sua scomposizione, rendimento interno (cenni); struttura di un aerogeneratore; studio anemologico di un sito: densità di probabilità di Weibull.

Sistemi Geotermici

Generalità; Classificazione dei siti geotermici (idrotermali, rocce calde secche, magmatici, geopressurizzati); impianti a vapore dominante: impianto a scarico ambientale e impianto a scarico in condensazione; impianti ad acqua dominante: impianto a doppio serbatoio di flash, impianti geotermici binari e cicli ORC (cenni); impianti geotermici ibridi con turbina a gas e gruppo a vapore.

Pompe di Calore con Scambio con il Suolo e le Acque

Principio di funzionamento di una pompa di calore in funzionamento invernale ed estivo; lay-out e diagramma logP-h nel caso estivo ed invernale; schema di una pompa di calore reversibile con valvola a quattro vie; espressione del COP e del EER, considerazione sui livelli di temperatura; applicazioni geotermiche delle pompe di calore, disposizione delle sonde, considerazioni.

Energia Solare

Generalità, la costante solare, lo spettro della radiazione solare fuori e dentro l'atmosfera, AM0 e AM1.5, la radiazione solare a terra (componente diretta, diffusa e riflessa), posizionamento di un pannello (tilt e facing), le mappe solari (cenni).

Conversione Fotovoltaica

L'effetto fotovoltaico (cenni su banda di valenza e conduzione), cenni sui semi conduttori e drogaggio tipo p ed n. Curva I-V di una cella (pannello fotovoltaico), il MPP, influenza dell'irraggiamento e della temperatura, influenza dell'ombreggiamento; connessione tipo stand alone, grid connected, mista; valutazioni energetiche.

Solare Termico

Pannelli solari piani e pannelli solari sottovuoto; circolazione naturale e circolazione forzata; calcolo della massima temperatura di un pannello solare piano;

Solare Termodinamico e Solare Fotovoltaico a Concentrazione

Sistemi di concentrazione (cenni), impianti (cenni), Celle a tripla giunzione (cenni).

Sistemi di accumulo dell'energia elettrica

L'overgeneration dei generatori rinnovabili non programmabili nel mix di produzione (cenni); classificazione dei sistemi di accumulo dell'energia elettrica; i sistemi CAES adiabatici (cenni); il Power to Gas per produzione di idrogeno e/o metano sintetico (cenni).