28658 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI T-1

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire all'allievo conoscenze progettuali, costruttive, funzionali e di gestione delle macchine a fluido, sia a livello del singolo componente (macchine motrici, operatrici, sede di reazioni chimiche e di scambio termico) sia a livello dei sistemi ed impianti in cui le macchine sono inserite, con particolare attenzione ai sistemi stazionari di generazione di energia elettrica e termica utilizzati nei processi industriali e nel settore terziario e residenziale.

Contenuti

Il fabbisogno di energia e le fonti energetiche primarie

Panoramica sulle fonti primarie di energia, le definizioni di rinnovabile, trasportabile, programmabile. Le tecnologie per la conversione di energia. Idrogeno come vettore energetico.

Richiami di termodinamica

Conservazione della massa. Primo principio per il sistema chiuso. Definizione di energia interna. Lavoro del sistema chiuso. Definizione di entalpia. Primo principio per il sistema aperto. Irreversibilità ed entropia. Rappresentazione grafica del calore e del lavoro sul T-s. I gas perfetti ed ideali. Le trasformazioni politropiche, il calore specifico, il diagramma T-s. La compressione: lavoro reale, isoentropico e politropico e i relativi rendimenti. L'espansione: lavoro reale, isoentropico e politropico e relativi rendimenti.

Combustione

I combustibili solidi, liquidi e gassosi più impiegati nei sistemi termoelettrici. Le reazioni di combustione, il bilancio in volume ed in massa, calcolo dell'aria stechiometrica, definizione dell'eccesso d'aria.

La composizione dei fumi: emissioni di CO2 per unità di energia messa a disposizione dal combustibile.

Il potere calorifico: definizione, LHV e HHV, l'esempio del metano.

Andamento del rendimento di combustione in funzione dell'eccesso d'aria.

Calcolo della temperatura di combustione: il bilancio delle potenze termiche nella fiamma, il calore scambiato per irraggiamento, la temperatura adiabatica di combustione, l'influenza sulla temperatura di combustione del LHV, dell'eccesso d'aria, della superficie irraggiata e della portata di combustibile.

Scambiatori di calore a superficie

Il coefficiente globale di scambio termico. Lo scambiatore unidirezionale in contro corrente, la potenza termica scambiata in funzione della superficie di scambio e del salto di temperatura medio logaritmico, alcuni esempi numerici dei coefficienti convettivi di scambio termico, il diagramma di scambio termico, lo scambio controcorrente con superficie infinita (solo nel caso di fluidi con stessa capacità termica), definizione di efficienza di scambio, lo scambiatore equicorrente, la temperatura di parete.

Turbogas

Il ciclo Brayton ideale (isoentropico) e reale (politropico): gli stati fisici di fine compressione ed espansione, Il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, il piano rendimento-lavoro, il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento, andamento del rendimento, del calore in funzione del rapporto di compresione. Influenza della temperatura massima del ciclo sul rendimento e sul lavoro termodinamico.

Bilancio energetico della camera di combustione di un turbogas e espressione del rendimento di combustione.

Il rendimento totale di un gruppo turbogas in funzione del rendimento termodinamico, organico, degli ausiliari, dell'alternatore e della camera di combustione.

Gruppi a vapore

Introduzione ai gruppi a vapore, descrizione dei componenti principali, considerazioni sulla necessità di impiegare un condensatore.

Il ciclo Rankine: descrizione dei principali componenti, la necessità di utilizzare un condensatore, il rendimento e il lavoro del ciclo ideale, problematiche dell'espansione con fluido bifase.

Il ciclo Hirn: il rendimento e il lavoro del ciclo ideale. Influenza della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo. I limiti pratici all'abbassamento della pressione di condensazione, diagramma di scambio termico di un condensatore. Influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un ciclo Rankine.

Il rendimento espresso come media pesata dei sottocicli: confronto Rankine - Hirn.

Cenni ai cicli a vapore ipercritici. Le pompe di estrazione della condensa e le pompe di alimento caldaia.

Il rendimento totale di un gruppo a vapore espresso in funzione del rendimento termodinamico, del rendimento organico, dell'alternatore e del generatore di vapore.

Schema di un ciclo a vapore risurriscaldato. La convenienza del risurriscaldamento in termini di titolo e rendimento rispetto ad un ciclo Hirn, la funzione del degassatore in un ciclo a vapore, considerazione sul rendimento di un ciclo a vapore come media pesata dei rendimenti dei cicli che lo compongono, introduzione del ciclo a vapore ad uno spillamento.

Il ciclo ad uno spillamento: il lay-out dell'impianto, il diagramma TS, il bilancio energetico dello scambiatore a miscela, espressione del lavoro, del calore introdotto e scaricato e del rendimento, confronto con il ciclo Hirn, andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione per il caso con uno e più spillamenti.

Il ciclo a vapore a tre spillamenti: schema, diagramma T-s, considerazioni sulla scelta degli scambiatori rigenerativi.

Il rendimento di un generatore di vapore valutato per via indiretta, la perdita di calore sensibile al camino, l'andamento del rendimento in funzione dell'eccesso d'aria.

Il diagramma di stato di una miscela di due fluidi e il problema della rugiada acida.

Il diagramma di scambio termico di una caldaia ad irraggiamento composta da un economizzatore, il vaporizzatore, il surriscaldatore e il preriscaldatore d'aria.

Cicli combinati gas/vapore

Schema di un ciclo combinato ad un livello di pressione, il diagramma T-s, espressione del rendimento totale di un ciclo combinato e sua dipendenza dai rendimenti termodinamici del turbogas e della sezione vapore e dall'efficienza della caldaia a recupero.

Diagramma di scambio temperatura-potenza della caldaia a recupero. Il diagramma di scambio termico temperatura-entalpia, considerazioni sulla portata di vapore prodotta nella caldaia a recupero, il bilancio nell'economizzatore, nel vaporizzatore e nel surriscaldatore, influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un combinato, l'utilizzo degli spillamenti in un ciclo combinato.

Il ciclo combinato a due livelli di pressione: schema e diagramma T-s. Cenni alla postcombustione.

Gestione dei sistemi termoelettrici

Le curve della richiesta di potenza della rete elettrica, la curva monotona delle potenze, l'andamento del costo di produzione di un sistema energetico in funzione delle ore equivalenti di funzionamento, la scelta della tipologia di impianto in funzione delle ore di funzionamento (carico base e di punta).

Cogenerazione

Il rendimento elettrico e termico, il coefficiente di utilizzo del combustibile, l'Indice di Risparmio Energetico, il Limite Termico. I rendimenti elettrici e termici di riferimento: evoluzione dal CIP6/92 alla delibera AEEG 42/02, all'attule 2004/8/CE. Il rendimento elettrico di confronto espresso in funzione della taglia dell'impianto e del combustibile utilizzato. Il piano dei rendimenti per lo studio dei sistemi cogenerativi, le rette a IRE costante e a LT costante. Considerazioni sul massimo coefficiente di utilizzo del combustibile espresso con riferimento al potere calorifico inferiore e superiore.

Cenni al mercato elettrico, i benefici per la cogenerazione ad alto rendimento, la priorità di dispacciamento, il prezzo unico nazionale dell'energia elettrica.

Il costo di produzione di un sistema cogenerativo: il combustibile, la manutenzione e il recupero dalla vendita dell'energia termica. Considerazioni economiche sull'utilizzo di una pompa di calore e di un gruppo frigorifero ad assorbimento in un sistema cogenerativo complesso.

La cogenerazione con turbina a gas: schema dell'impianto, il camino di by-pass, la post combustione. Campo di funzionamento di un turbogas cogenerativo (piano della potenza termica ed elettrica). Considerazioni sulla gestione ottimale di un turbogas cogenerativo in funzione dei fabbisogni interni. Gruppo a vapore con turbina in contropressione: schema dell'impianto, diagramma T-s, considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti.

Gruppo a vapore con turbina in derivazione: schema dell'impianto, diagramma T-s, considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti. Cogenerazione con cicli combinati: schema e considerazioni sulle prestazioni del sistema al variare delle richieste termiche ed elettriche, il piano dei rendimenti.

Introduzione alle turbomacchine

Introduzione allo studio delle turbomacchine: classificazione delle macchine operatrici e motrici, espressione del lavoro di una turbomacchina come differenza di energia cinetica e secondo Eulero, considerazioni sul flusso centrifugo/centripeto e sulla geometria dei palettamenti mobili di una turbomacchina, i triangoli di velocità.

Pompe centrifughe

Le pompe centrifughe: espressione del lavoro di una pompa centrifuga in funzione della portata volumetrica elaborata dalla pompa, in funzione dell'angolo di uscita delle pale (pale avanti, radiali e all'indietro). Definizione di prevalenza di una pompa centrifuga; andamento delle perdite e della prevalenza in funzione della portata elaborata, calcolo della prevalenza a portata nulla. Legame tra prevalenza e incremento di pressione.

Il punto di funzionamento di una pompa centrifuga inserita in un circuito idraulico; pompe in serie ed in parallelo. Calcolo della pressione all'aspirazione della pompa: il problema della cavitazione, la definizione dell'NPSH della pompa e dell'impianto, considerazioni sulle condizioni per le quali si verifica la cavitazione.

Il problema dell'adescamento.

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici e macchine a fluido" G: Negri di Montenegro, M. Bianchi A. Peretto, III Edizione – Pitagora Editore

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi

Consulta il sito web di Nicolò Cavina