SISTEMI ENERGETICI

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
MACCHINE A FLUIDO (ING-IND/08)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso fornisce le conoscenze di base sulla teoria dei Sistemi per generazione di energia. In particolare viene approfondito lo studio degli impianti motori oggi più diffusi per la generazione di energia: impianti a vapore, gruppi turbogas, motori a combustione interna alternativi. Conoscenze e capacità di comprendere:
Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di conoscere le principali caratteristiche dei sistemi per la generazione di energia ed i principali impianti motori primi oggi utilizzati. Dovrà inoltre acquisire le conoscenze relative alla valutazione delle trasformazioni termodinamiche, alla loro rappresentazione sui piani termodinamici più utilizzati, al calcolo dei parametri termodinamici e degli scambi di lavoro e di calore sia con riferimento al caso ideale che reale. Dovrà quindi conoscere i problemi, i limiti, i vantaggi e gli svantaggi delle diverse macchine a fluido e dei diversi impianti motori trattati.
Competenze:
Lo studente dovrà essere in grado di effettuare un calcolo di massima delle prestazioni degli impianti motori primi con particolare riferimento all'efficienza ed al consumo specifico di combustibile. Dovrà inoltre essere in grado di definire l'andamento delle trasformazioni termodinamiche ideali e reali che avvengono negli impianti motori e nei loro componenti al fine di valutare in maniera qualitativa e quantitativa gli stati termodinamici nei diversi punti dell'impianto nonché le prestazioni da essi determinabili.
Autonomia di giudizio:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti e le conoscenze necessarie per valutare e confrontare in maniera critica soluzioni diverse per la realizzazione di specifici processi di conversione dell'energia nei Sistemi energetici motori sulla base dei principali parametri prestazionali usualmente utilizzati allo scopo e tenendo conto delle alternative eventualmente possibili.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti necessari per presentare in maniera efficace valutazioni e confronti di soluzioni diverse per la realizzazione di specifici processi di conversione dell'energia nei Sistemi energetici motori attraverso una rappresentazione sia grafica che numerica delle trasformazioni e dei cicli termodinamici nonché dei principali parametri prestazionali usualmente utilizzati allo scopo.
Capacità di apprendimento:
Lo studente dovrà essere in grado, utilizzando le conoscenze di base impartite nel corso, di acquisire autonomamente le informazioni, le caratteristiche, i dati tecnici su Sistemi Energetici diversi che possano essere studiati e/o proposti sul mercato mantenendo così aggiornate le proprie competenze in merito alle soluzioni proposte e/o applicate per la realizzazione e la gestione dei Sistemi Energetici.

Prerequisiti

La frequenza al corso richiede conoscenze di base di Analisi Matematica, Fisica, Termodinamica e Meccanica dei Fluidi.

Contenuti dell'insegnamento

Consumi energetici in Italia e nel mondo: fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. I sistemi energetici e le macchine a fluido: tipologia e classificazione. Impianti a combustione interna ed esterna. Richiami di termodinamica: 1° e 2° principio, gas e vapori, piani termodinamici e loro utilizzo. Il piano di Mollier. Applicazioni delle equazioni fondamentali: continuità, energia e quantità di moto. Cenni allo sfruttamento dell'energia idraulica: impianti a bacino e ad acqua fluente, turbine Pelton, Francis, Kaplan. Sfruttamento dell'energia dei combustibili: processi di combustione e proprietà dei combustibili. Bilanci di massa, composizione dei prodotti, rapporto aria/combustibile. Cicli e pseudocicli termodinamici: rappresentazione sui piani termodinamici, trasformazioni termodinamiche, calcolo degli scambi di lavoro e di calore. Cicli ideali, limite e reali. Catena dei rendimenti, consumo specifico. Costo dell'energia, coefficiente di utilizzazione.
Le macchine a fluido comprimibile. Equazione di De St. Venant, effetto della comprimibilità e pressione dinamica, equazione di Hugoniot, numero di Mach, ugelli e diffusori ideali e reali. Equazione della portata negli ugelli. Andamento della compressione e dell'espansione sui piani termodinamici; rendimenti di compressione e di espansione.
Impianti motori a vapore: circuito elementare, cicli a vapor saturo e surriscaldato. Generatori di vapore: tipologia e schemi di massima. Rendimento del generatore di vapore. Surriscaldatori ed economizzatori. Preriscaldatori d'aria. Il condensatore e le torri di raffreddamento. Il degasatore. La rigenerazione ed il risurriscaldamento. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di impianti a vapore in ciclo semplice, risurriscaldati e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a vapore con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento.
Turbine a gas, cicli di riferimento, rendimento e lavoro unitario, ottimizzazione. Rapporto aria- combustibile, camere di combustione. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di cicli a gas semplici e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a gas con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento. La temperatura di ingresso turbina (TIT): effetti sul rendimento e problemi derivanti dalla resistenza dei materiali. Cenni al raffreddamento delle pale.
Motori a combustione interna alternativi (MCI). Principi di funzionamento e componenti fondamentali. Cicli termodinamici ideali. Calcolo della potenza nei motori a combustione interna. Pressione media effettiva. Coefficiente di riempimento. Cenni ai processi di combustione nei motori ad accensione comandata e Diesel. I processi di alimentazione di aria e combustibile nei MCI: sistema di distribuzione e diagramma polare della distribuzione ideale e reale. Cenni alla turbosovralimentazione.

Programma esteso

Consumi energetici in Italia e nel mondo: fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. I sistemi energetici e le macchine a fluido: tipologia e classificazione. Impianti a combustione interna ed esterna. Richiami di termodinamica: 1° e 2° principio, gas e vapori, piani termodinamici e loro utilizzo. Il piano di Mollier. Applicazioni delle equazioni fondamentali: continuità, energia e quantità di moto. Cenni allo sfruttamento dell'energia idraulica: impianti a bacino e ad acqua fluente, turbine Pelton, Francis, Kaplan. Sfruttamento dell'energia dei combustibili: processi di combustione e proprietà dei combustibili. Bilanci di massa, composizione dei prodotti, rapporto aria/combustibile. Cicli e pseudocicli termodinamici: rappresentazione sui piani termodinamici, trasformazioni termodinamiche, calcolo degli scambi di lavoro e di calore. Cicli ideali, limite e reali. Catena dei rendimenti, consumo specifico. Costo dell'energia, coefficiente di utilizzazione.
Le macchine a fluido comprimibile. Equazione di De St. Venant, effetto della comprimibilità e pressione dinamica, equazione di Hugoniot, numero di Mach, ugelli e diffusori ideali e reali. Equazione della portata negli ugelli. Andamento della compressione e dell'espansione sui piani termodinamici; rendimenti di compressione e di espansione.
Impianti motori a vapore: circuito elementare, cicli a vapor saturo e surriscaldato. Generatori di vapore: tipologia e schemi di massima. Rendimento del generatore di vapore. Surriscaldatori ed economizzatori. Preriscaldatori d'aria. Il condensatore e le torri di raffreddamento. Il degasatore. La rigenerazione ed il risurriscaldamento. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di impianti a vapore in ciclo semplice, risurriscaldati e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a vapore con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento.
Turbine a gas, cicli di riferimento, rendimento e lavoro unitario, ottimizzazione. Rapporto aria- combustibile, camere di combustione. Cicli termodinamici sui piani (h,s) e (T,s). Calcolo delle prestazioni di cicli a gas semplici e rigenerati. Ottimizzazione dei cicli a gas con riferimento al lavoro specifico ed al rendimento. La temperatura di ingresso turbina (TIT): effetti sul rendimento e problemi derivanti dalla resistenza dei materiali. Cenni al raffreddamento delle pale.
Motori a combustione interna alternativi (MCI). Principi di funzionamento e componenti fondamentali. Cicli termodinamici ideali. Calcolo della potenza nei motori a combustione interna. Pressione media effettiva. Coefficiente di riempimento. Cenni ai processi di combustione nei motori ad accensione comandata e Diesel. I processi di alimentazione di aria e combustibile nei MCI: sistema di distribuzione e diagramma polare della distribuzione ideale e reale. Cenni alla turbosovralimentazione.

Bibliografia

C.Caputo, "Gli impianti convertitori di energia", Masson, 1997.
C.Caputo, "Le Macchine Volumetriche", Masson, 1999.
C.Carcasci, B.Facchini, "Esercitazioni di Sistemi Energetici", ed.Esculapio, 2016.
G.Negri di Montenegro, M.Bianchi, A.Peretto, "Sistemi Energetici e Macchine a Fluido", ed.Pitagora, 2009.
Per approfondimenti:
O.Acton, C.Caputo, Macchine a fluido, vol.1, 'Introduzione allo studio delle Macchine', UTET, 1979.
O.Acton, C.Caputo, Macchine a fluido, vol.2, 'Impianti Motori', UTET, 1992. O.Acton, Macchine a Fluido, vol.3, "Turbomacchine", UTET, 1990. G.Ferrari, "Motori a Combustione Interna", Il Capitello, 2016.

Metodi didattici

Nel corso delle lezioni verranno approfondite le nozioni fondamentali per lo studio delle trasformazioni termodinamiche e dei cicli termodinamici nei Sistemi Energetici e per il calcolo delle caratteristiche operative e delle prestazioni. Il corso sarà affiancato da esercitazioni numeriche finalizzate a consentire allo Studente di acquisire la necessaria dimestichezza con le unità di misura, con il calcolo quantitativo delle trasformazioni termodinamiche ideali e reali, nonché con la valutazioni delle prestazioni degli Impianti motori primi studiati nel corso.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell'apprendimento si realizza attraverso una prova scritta ed colloquio orale. La prima prevede il calcolo numerico di un ciclo termodinamico applicato ad un impianto e la valutazione quantitativa dei principali parametri prestazioni dell'impianto: la prova si intende superata se i risultati forniti risultano corretti entro scostamenti ragionevolmente legati alle approssimazioni seguite. Il colloquio è basato su domande teoriche e sull'applicazione della teoria a problemi anche originali: saranno valutate in particolare la capacità critica, la proprietà di esposizione e la capacità di correlare gli argomenti trattati.

Altre informazioni

E' vivamente consigliata la frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni del corso.