A.A. 2022/2023 - 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 (2020) e della produzione elettrica da solare, eolico e idroelettrico.
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; schema semplificato di una turbina assiale, principio di funzionamento, definizione di rotore e statore; schema semplificato di una camera di combustione, principio di funzionamento, il liner. architettura reale delle turbine a gas (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, 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; 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; cenni sul Beta di massimo lavoro utile e di massimo rendimento termodinamico; 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
ciclo a vapore di Hirne, layout, diagramma termodinamico, 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 pressione di vaporizzazione (cenni), scelta della temperatura di surriscaldamento, scelta della pressione di condensazione. 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. Cenni sull'architettura delle caldaie a irraggiamento. Gruppo a Vapore 3 spillamenti + RH: schema, diagramma Ts, bilancio scambiatori della linea rigenerativa, potenza totale netta prodotta in turbina, rendimento totale netto, considerazioni; cenni sull'architettura del degasatore, condensatore, torri di raffreddamento (a umido a circolazione naturale e forzata, a secco, 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, influenza del pinch-point. Ciclo Combinato Gas/Vapore a due livelli di pressione: lay-out, diagramma Ts, diagramma di scambio termico in caldaia.
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, il triangolo in ingresso e uscita dalla pala, espressione del lavoro secondo Eulero e condizione di massimo lavoro; procedura di distacco improvvisa del carico, il tegolo deviatore e il circuito di bypass; 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 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, 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.
Impianti idroelettrici fluenti
(cenni sulla tipologia di impianto e sul funzionamento), le turbine a bulbo di tipo Kaplan e semi-Kaplan (cenni).
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 e considerazioni sulla convenienza economica.
Sfruttamento dell'energia del mare e oceani
classificazione tipologie di impianto. Sistemi di conversione delle maree: classificazione, impianto a singolo bacino in reflusso: funzionamento, calcolo dell'energia disponibile per un impianto conversione maree in riflusso; esempi di impianti reali; impianti bidirezionali con pompaggio (cenni). Conversione del moto ondoso: classificazione dei generatori; captatore a corpo oscillante galleggiante (schema e considerazioni); captatore a colonna d'acqua oscillante fisso (schema, considerazioni, esempi); captatori di tipo overtopping fissi (schema, considerazioni, esempi). Conversione Correnti Marine (cenni): generalità, esempi di turbine. Gradiente termico dei mari (cenni): effetto Sebek. Gradiente osmotico dei mari (cenni): principio di funzionamento.
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; schema semplificato di un generatore eolico; cenni sull'aerodinamica di un profilo palare: triangolo di velocità in ingresso, forza assiale e trasversale, portanza e resistenza; rendimento (interno) aerodinamico del profilo e della pala; curve della potenza prodotta al variare della velocità di rotazione; curva di potenza di un aerogeneratore: andamento della potenza prodotta, velocità di rotazione e dell'efficienza aerodinamica al variare della velocità del vento, esempi curve di potenza reali. Studio anemologico di un sito: considerazioni generali (considerazioni su distanza da punto di connessione alla rete elettrica, accessibilità dei mezzi, vincoli paesaggistico/ambientali, distanza centri abitati, ecc.); installazione torri anemometriche, variabili misurate, curva di frequenza; curva di densità di probabilità di Weibull, fattore di forma e fattore di scala, esempi, curva di probabilità cumulata, valutazione dell'energia totale producibile da un aerogeneratore.
