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

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce le basi di fisica, termodinamica e chimica, e sa utilizzare strumenti matematici utili per l’analisi e la modellazione di macchine e sistemi energetici.

Tali conoscenze sono acquisite, di norma, superando gli esami di Fisica, Analisi Matematica, Chimica, Geometria e Algebra.

Tutte le lezioni saranno tenute in Italiano. È quindi necessaria la comprensione della lingua italiana per seguire con profitto il corso e per poter utilizzare il materiale didattico fornito.

Programma MODULO 1

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 e dell'energia per un sistema chiusi e aperto.

I gas perfetti ed ideali. Le trasformazioni politropiche, il calore specifico, il diagramma T-s. Compressione ed espansione di un gas ideale: lavoro reale, isoentropico e politropico, rendimento politropico.

Combustione

Classificazione dei combustibili, le reazioni di combustione, il bilancio energetico e di massa, calcolo dell'aria stechiometrica, definizione dell'eccesso d'aria. Il potere calorifico inferiore e superiore. Il rendimento di combustione. Esempi numerici.

Gruppi a vapore

Il ciclo Rankine: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti. Influenza della pressione di condensazione e di vaporizzazione sul rendimento del ciclo. Esempi numerici.

Il ciclo Hirn: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti.

Il ciclo a vapore ad uno spillamento: gli stati fisici, il lavoro, il calore introdotto e scaricato, il rendimento termodinamico, i principali componenti.

Il ciclo a vapore a tre spillamenti: schema, bilanci di massa, di energia e prestazioni.

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

Generatori di vapore

Il rendimento di un generatore di vapore valutato per via diretta e indiretta. la circolazione dell'acqua in caldaia e il corpo separatore. Il diagramma di scambio termico di una caldaia ad irraggiamento. La temperatura media di combustione. Il carico termico. Esempi numerici.

Scambiatori di calore a superficie

Il coefficiente globale di scambio termico, la temperatura di parete, il metodo del salto di temperatura medio logaritmico.

Il diagramma di scambio termico, lo scambio equicorrente e controcorrente con superficie infinita, l'efficienza dello scambiatore di calore.

Turbogas

Il ciclo Brayton ideale e reale: 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, il rendimento isoentropico di compressione ed espansione. Esempi numerici.

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

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

Cicli combinati gas/vapore

Schema di un ciclo combinato ad un livello di pressione, i bilanci energetici, il rendimento, il diagramma di scambio termico della caldaia a recupero. La post-combustione.

Il circuito dell'acqua in un generatore di vapore a recupero: il corpo cilindrico e la circolazione dell'acqua nei tubi vaporizzatori.

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

 

Considerazioni economiche

Il costo di produzione di un impianto termoelettrico e il COE (Cost of electricity): il costo fisso su base annua, i costi variabili in funzione delle ore equivalenti di funzionamento. Il poligono dei costi e la scelta del sistema energetico con il minor costo di produzione annuo e il suo legame con la curva monotona delle potenze. Esempi numerici 

 

Programma MODULO2

 

MOTORI ALTERNATIVI A COMBUSTIONE INTERNA

I motori alternativi a combustione interna: ciclo termodinamico Sabathè. Espressione del rendimento termodinamico in funzione del rapporto volumetrico di compressione, del grado di combustione a volume e pressione costante. Casi limite del ciclo Sabathè: il ciclo Otto ed il ciclo Diesel. Confronto tra ciclo Otto e Diesel a parità di rapporto di compressione e calore introdotto, il confronto tra ciclo Otto e Diesel a parità di pressione massima raggiunta e calore introdotto. Architettura di un motore alternativo a combustione interna a 4 tempi monocilindro: grandezze fondamentali e principio di funzionamento.

Diagramma di indicatore (piano p-V) di un motore alternativo a combustione interna ideale, limite e reale. Diagramma della distribuzione caso ideale e reale: angoli di anticipo e ritardo valvole aspirazione e scarico. Definizione del lavoro totale prodotto per ciclo in funzione dei rendimenti di camera di combustione, termodinamico, di indicatore, volumetrico e meccanico. Definizione del rendimento totale. La pressione media indicata (definizione e significato) e la pressione media effettiva. Il consumo specifico. Espressione della potenza totale erogata dal motore.

Frazionamento della cilindrata: confronto motore monocilindrico e policilindrico a parità di potenza totale e a parità di cilindrata totale. Caratteristiche dei motori stazionari: la sovralimentazione (turbocompressore con intercooler).

LA COGENERAZIONE

La cogenerazione normativa e indice PES per confronto sistema cogenerativo rispetto alla produzione separata. Definizione del PES in funzione dei rendimenti del sistema CHP e della produzione separata. Rappresentazione sul piano rendimento elettrico e termico. Il concetto di limite termico (normativa 42/02) ed il rendimento globale nella normativa CAR (2004/08/CE). La virtualizzazione dell'impianto ed il calcolo del PES. I rendimenti elettrici e termici della produzione separata, il fattore p. Tipologie di sistemi cogenerativi: topping e bottoming.

La cogenerazione: architettura di un motore alternativo a combustione interna cogenerativo: recupero calore da circuito acqua, olio, intercooler e fumi, considerazioni sulle temperature dei circuiti.

Architettura sistema cogenerativo con turbina a gas: layout, T-s, soluzione per aumentare la flessibilità dell'impianto (bypass e postcombustione). Confronto con MCI a parità di taglia. Architettura gruppo a vapore cogenerativo in contropressione: layout, t-s, espressione potenze elettriche e termiche, considerazioni sul piano rendimento elettrico e termico al variare della portata. flessibilità dell'impianto (bypass e postcombustione). Architettura gruppo a vapore di derivazione: layout, t-s, potenze, regolazione delle potenze prodotte, il funzionamento dell'impianto sul piano rendimento e elettrico e termico. Architettura di un ciclo combinato cogenerativo ad un livello di pressione.

POMPE CENTRIFUGHE

Classificazione delle macchine a fluido. Le pompe centrifughe: definizione della prevalenza geodetica e della prevalenza manometrica; espressione della prevalenza manometrica; applicazione dell'equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma meccanica al circuito di riferimento. La potenza della pompa, definizione del rendimento idraulico, volumetrico, meccanico, del motore elettrico e totale.

Architettura semplificata di una pompa centrifuga (girante, voluta, eventuale diffusore). Espressione del lavoro alle differenze di energia cinetica e del lavoro secondo Eulero; triangoli di velocità in ingresso e in uscita. Calcolo della caratteristica teorica, considerazioni sulla forma delle pale (indietro, radiali, avanti) e perdite di carico; calcolo della caratteristica reale. Determinazione del punto di funzionamento; regolazione (controllo velocità, valvola di strozzamento); connessione tra più pompe (serie tra due pompe uguali, serie tra due pompe diverse, parallelo tra due pompe uguali, parallelo tra due pompe diverse). Cenni alla cavitazione: determinazione della pressione in aspirazione alla pompa.

 

Testi/Bibliografia

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

"Gas Turbine Theory" H. Cohen, G.F.C. Rogers, H.I.H. Saravanamuttoo, Longman scientific & technical

Motori Endotermici Alternativi, Giorgio Minelli, Pitagora Editrice.

Internal Combustion Engine Fundamentals, J.B. Heywood, McGraw-Hill.

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 9 CFU suddivisi in due moduli che verranno erogati in serie:  il primo da 6 CFU tenuto dal prof. Michele Bianchi (da febbraio a inizio maggio) e il secondo da 3 CFU tenuto dal prof. Francesco Melino (da maggio a giugno).

Entrambi i moduli prevedono lezioni di teoria e alcune esercitazioni in cui verranno presentati alcuni esempi numerici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame di fine corso ha lo scopo di valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici, verificando le conoscenze che lo studente ha acquisito riguardo agli aspetti progettuali, costruttivi, funzionali e di gestione delle macchine a fluido e dei sistemi energetici.

 Il voto finale viene definito mediante un'unica prova orale che mira ad accertare le conoscenze dello studente in tutti gli argomenti trattati nei 9 CFU.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico
tramite internet.

Per scaricare il materiale didattico: http://campus.unibo.it/ Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Bianchi

Consulta il sito web di Lisa Branchini