A.A. 2023/2024 - 346361 - INGEGNERIA DEI SISTEMI ENERGETICI M - Programma del corso
FONTI ENERGETICHE
definizione di macchina a fluido e di sistema energetico (motore primo); fonte di energia primaria, naturale, 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); analisi del bilancio energetico nazionale (2021) e della produzione elettrica da solare, eolica e idroelettrica.
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, calcolo della temperatura di fine compressione secondo una trasformazione politropica; calcolo della temperatura di fine compressione e fine espansione secondo una trasformazione politropica; calcolo del lavoro di compressione reale, del lavoro di espansione reale, del lavoro utile e del calore introdotto; definizione del rendimento termodinamico per un ciclo di Brayton; considerazioni sul calore scaricato; potenza e rendimento totale di un gruppo turbogas, rendimento meccanico, rendimento alternatore, rendimento ausiliari, rendimento organico, 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); calcolo del rendimento termodinamico nel caso di ciclo di Brayton isentropico; influenza della T3 sul rendimento termodinamico e lavoro utile di un ciclo di Brayton; schema semplificato di un compressore assiale, principio di funzionamento, definizione di rotore e statore; cenni su architettura e funzionamento di un compressore assiale, di una turbina assiale, di una camera di combustione; cenni su IGV, EGV, raffreddamento pale, ecc.; diagramma Ts di un ciclo di Brayton reale e considerazioni.
Turbine a gas (Ciclo di Brayton con Recupero di Calore)
schema, descrizione dei componenti, diagramma Ts del ciclo di Brayton rigenerativo, diagramma di scambio termico dello scambiatore di calore; confronto con il ciclo di Brayton di riferimento; Microturbine a gas (cenni): architettura (compressore centrifugo, turbina centripeta), scambiatore per produzione potenza termica utile, 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; valutazione del beta di massimo lavoro utile e di massimo rendimento termodinamico nel caso isentropico e non isentropico (considerazioni sul rendimento di un ciclo termodinamico come media pesata dei sotto-cicli che lo compongono ed espressione dei pesi in base ai calori introdotti); esempi di turbine a gas con intercooler, intercooler evaporativo.
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; cenni sul beta di massimo lavoro utile e di massimo rendimento termodinamico del ciclo; esempi di turbine a gas con re-heat.
Gruppi a Vapore
layout, componenti (turbina a vapore, condensatore, pozzo caldo, generatore di vapore), 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; calcolo del lavoro di espansione, del calore introdotto e scaricato, rendimento termodinamico, calcolo della potenza prodotta dall'espansione, della potenza meccanica, elettrica lorda e netta, potenza introdotta con il fuel e ceduta al vapore, il rendimento del generatore di vapore (definizione), calcolo del rendimento totale di un gruppo a vapore; analisi termodinamica del ciclo di Hirne: scelta della temperatura di surriscaldamento, scelta della pressione di vaporizzazione (cenni), scelta della pressione di condensazione.
Ciclo di Hirne Rigenerativo
schema con uno spillamento (layout, diagramma Ts), degasatore (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, definizione del grado di rigenerazione, andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione al variare del numero di spillamenti.
Gruppo a Vapore 3 spillamenti + RH
schema, diagramma Ts e considerazioni sul calcolo degli stati fisici, bilancio entalpico della linea rigenerativa, calcolo di ms1, ms2, ms3, calcolo del lavoro in turbina, potenza elettrica netta prodotta, calcolo della portata in massa al condensatore, calcolo della potenza introdotta con il fuel, rendimento totale netto, calcolo della portata di acqua al condensatore. Cenni sull'architettura delle caldaie a irraggiamento, del degasatore e delle turbine a vapore.
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; esempi di architettura di cicli combinati gas/vapore, cenni sui cicli combinati a 2 livelli di pressione e 3 livelli con RH.
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; calcolo della velocità teorica e reale in uscita dal distributore; procedura di distacco improvvisa del carico, il tegolo deviatore e il circuito di bypass; il triangolo in ingresso e uscita dalla pala, espressione del lavoro secondo Eulero e condizione di massimo lavoro; rendimento idraulico di una turbina Pelton, mappa prestazioni V=f(n) e eta=f(V). Turbine Pelton a più getti (cenni);
Turbine Francis
generalità, schema della macchina, il distributore Fink, la girante, il diffusore, il cuscinetto Mitchel (cenni); triangoli di velocità in ingresso ed in uscita dalla girante, espressione del lavoro secondo Eulero e del rendimento idraulico; calcolo del lavoro senza diffusore e con il diffusore; equilibratura delle spinte assiali; mappa prestazioni V=f(n) e eta=f(V); considerazioni sull'incremento di portata.
Turbine ad Elica e Kaplan
schema dell'impianto; Turbine a Elica (Kaplan): schema dell'impianto, distributore, girante, triangoli di velocità in ingresso e in uscita dalla pala; mappa prestazioni V=f(n) e eta=f(V) per una turbina ad Elica, mappa prestazioni eta=f(V) per una turbina Kaplan. Cenni sulle turbine a bulbo di tipo Kaplan e semi-Kaplan, Turgo, Cross Flow, VLH, ruote idrauliche e vite di Archimede.
Impianti idroelettrici per pompaggio
generalità, classificazione delle tipologie impiantistiche (quaternario, ternario, binario), considerazioni sul passaggio da turbinaggio a pompaggio e viceversa (cenni), calcolo dell'efficienza di roundtrip.
Energia Eolica
distinzione tra venti globali e locali; formazione della brezza di mare, di terra, di valle e di monte; velocità media del vento con la variazione di quota e considerazioni sulla turbolenza; analisi della variazione della densità dell'aria con la quota; equazione per il calcolo della velocità del vento al variare della quota in funzione dei dati misurati, esempi; cenni sulle mappe eoliche; classificazione delle turbine eoliche e degli impianti eolici, esempi di turbine eoliche; calcolo dell'energia, della potenza e della densità di potenza di una vena di vento indisturbata; Limite di Betz-Lancaster: definizione tubo di flusso e volume di controllo, applicazione dell'equazione generalizzata del moto dei fluidi, andamento della velocità, pressione e lavoro lungo il tubo di flusso, conservazione della portata e variazione della quantità di moto, calcolo della velocità c1, calcolo del coefficiente di potenza teorica in funzione dei fattori di interferenza, condizione di massimo del coefficiente di potenza teorico, confronto con il coefficiente di potenza reale.
