Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 1 di 6 SISTEMI ENERGETICI (9 CFU)

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1 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 1 di 6 SISTEMI ENERGETICI (9 CFU) Settimana ARGOMENTO Rifer Introduzione al corso. Specifica dell'insegnamento. Programma. Articolazione didattica. Modalità di verifica. Materiale didattico. "1. Conversione dell'energia e Macchine a Fluido". Generalità; unità di misura, nomenclatura, simbologia. Sistemi energetici. Macchine e [1] 0 impianti. Macchine a fluido per la conversione dell'energia. Classificazione delle macchine a [1] 3 fluido. Problema energetico. Cenni storici. Produzione di energia elettrica. Fonti di energia e [1] 1 sistemi di conversione, convenzionali e non convenzionali. Analisi dimensionale. Principio di [1] 10 omogeneità dimensionale. Metodo di Rayleigh. Teorema di Buckingham. Applicazioni esemplificative sull'analisi dimensionale; cenni sulla meccanica dei fluidi, numero di Reynolds, moto laminare e moto turbolento (TAV. 1). "2. Termodinamica Applicata ". Sistemi chiusi. Proprietà; grandezze di stato. Primo principio; conservazione dell'energia, energia interna. Convenzione classica sui segni dei trasferimenti dell'energia. Calore e lavoro; grandezze di scambio. Lavoro di trasformazione e lavoro all'albero; entalpia. Secondo principio; entropia, postulato dell'entropia. Gas perfetto. Capacità termiche. Legge di Mayer. Aria atmosferica standard. Variazione di entropia dei gas [2] perfetti. Trasformazione politropica; esponente della politropica. Equazioni dell'adiabatica [3] 1 reversibile. Piani termodinamici di Clapeyron (del lavoro), entropico (del calore), entalpico (di [1] 6 Mollier). Impiego dei piani termodinamici; determinazione grafica del lavoro all'albero nei [4] 4 processi adiabatici di compressione e di espansione, ideali e reali. Processi, circuiti del fluido e cicli termodinamici nelle macchine. Cicli diretti e cicli inversi. Ciclo di riferimento. Ciclo ideale, limite e reale. Coefficienti di prestazione; rendimenti, coefficienti di effetto utile, consumi specifici. Applicazioni numeriche sui coefficienti di prestazione (TAV. 2). "3. Energia ed Exergia". Sistemi aperti. Bilancio di massa. Bilancio di energia (principio di conservazione dell'energia). Equazione dell'energia in flusso stazionario. Massimo rendimento del motore termico. Cicli termodinamici di massimo rendimento (Carnot, Ericsson, Stirling); calcolo del rendimento. Ciclo di Carnot inverso. Frigoriferi e pompe di calore ideali; calcolo dei coefficienti di prestazione. Applicazioni numeriche sull'equazione dell'energia in flusso stazionario (TAV. 3). Reversibilità e irreversibilità. Lavoro di ripristino. Relazione di "Gouy - Stodola". Applicazione del postulato dell'entropia e del lavoro di ripristino a tre casi esemplificativi. Produzione di entropia per i sistemi chiusi e per i sistemi aperti. Scelta dell'estensione del sistema analizzato. Applicazione numerica sul calcolo dell'irreversibilità in un sistema chiuso; interpretazione ingegneristica, importanza della scelta del confine del sistema (TAV. 3). Lavoro ideale di una reazione chimica. Funzione di Gibbs. Forme di energia. Concetto di exergia. Ambiente ed equilibri; stato ambiente e stato morto. Exergia associata alle interazioni di lavoro e di calore. Significato fisico dell'exergia termica. Exergia associata ai trasferimenti stazionari di materia; i quattro termini che la costituiscono (cinetico, potenziale, fisico, chimico). Exergia cinetica e potenziale gravitazionale. Exergia fisica e sue due componenti; [3] caso dei gas perfetti. Exergia chimica; caso delle sostanze di riferimento. Exergia chimica delle sostanze combustibili, delle miscele di gas perfetti e dei combustibili industriali. Applicazioni numeriche sul calcolo dell'exergia termica, con interpretazione ingegneristica, sul calcolo delle due componenti dell'exergia fisica dei gas perfetti e sul calcolo dell'exergia chimica (TAV. 3). Bilancio di exergia (principio di degradazione dell'energia). Rendimento exergetico. Irreversibilità adimensionali. Cadute di rendimento. Analisi, calcolo e rappresentazione grafica delle irreversibilità in sistemi aperti e chiusi. Rappresentazioni grafiche delle prestazioni energetiche; diagrammi di Grassmann e di Sankey. Analisi di sistemi energetici suddivisi in sottoregioni. Piano termodinamico "exergia fisica - entalpia". Applicazione numerica sul calcolo del flusso d'irreversibilità in un sistema aperto; scelta tra possibili interventi alla luce dell'analisi energetica effettuata (TAV. 3). [2] 4 [3] [3]

2 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 2 di "4. Sistemi Termici Motori".Generalità e classificazione. "4.1. Sistemi Motori a Vapore". Vapor d'acqua; proprietà. Titolo del vapore saturo. Tabelle e diagramma di Mollier. Schema d'impianto. Cicli termodinamici Rankine e Hirn. Ciclo limite a vapore sui principali piani termodinamici; calcolo del rendimento e del lavoro utile. Applicazioni numeriche sul ciclo limite di riferimento dei sistemi motori a vapore (TAV. 4). Risurriscaldamento del vapore. Centrale termoelettrica. Ciclo Hirn suddiviso in cicli parziali. Rigenerazione termica; spillamenti di vapore. Ciclo Hirn nel caso di macchine reali; calcolo del rendimento e del lavoro utile. Consumo specifico di vapore. Esempi di gruppi a vapore. Applicazioni numeriche sul ciclo Hirn nel caso di macchine reali (TAV. 4). [2] 2,7 [4] 6 [5] 2 Generatore di vapore (caldaia). Circuiti "aria - fumi" e "acqua - vapore". Cenni sulla combustione; aspetti chimici e fisici. Aria necessaria per la combustione; eccesso d'aria. Temperatura di combustione fittizia e reale. Combustibili solidi, liquidi e gassosi. Applicazioni [1] 4,5 numeriche sulla massa d'aria e di fumi e sulla temperatura di combustione (TAV. 4). [4] 2,5 Combustione adiabatica; analisi, calcolo e riduzione delle irreversibilità. Preriscaldamento [5] 6 dell'aria comburente (preriscaldatori Ljungström). Determinazione analitica e grafica delle [3] 4 irreversibilità di combustioni non adiabatiche. Caldaia; perdite di energia e calcolo del [4] 3,4 rendimento energetico, analisi exergetica e calcolo del rendimento exergetico, relazione tra rendimento energetico ed exergetico, calcolo dell'irreversibilità totale (principali cause). Applicazioni numeriche su rendimento energetico, exergetico e irreversibilità (TAV. 4). Fattori del rendimento del sistema motore a vapore; rendimento totale e consumo specifico di calore. Turbomacchine motrici. Turbine ad azione e a reazione. Grado di reazione. Triangoli delle velocità. Analisi energetica dei processi di espansione adiabatica; coefficienti di prestazione, relazione tra rendimento exergetico e rendimento isoentropico. Rendimenti delle turbine a più stadi. Espansione adiabatica sul piano termodinamico "exergia fisica - entalpia". "4.2. Sistemi Motori a Gas". Classificazione. Cicli termodinamici a gas. Ciclo ideale Lenoir; calcolo del rendimento e delle temperature medie di scambio termico. Descrizione e rappresentazione dei cicli semplici a gas. Motori volumetrici a combustione interna. Cicli ideali Otto, Diesel e Sabathé; calcolo del rendimento. Applicazioni numeriche sul ciclo Lenoir e sui cicli di riferimento dei motori volumetrici a combustione interna (TAV. 4). Motori alternativi. Diagrammi indicati. Pressione media indicata ed effettiva. Accensione. Numero di tempi. Motori aspirati e sovralimentati. Fattori del rendimento e della potenza. Curve caratteristiche; condizioni di stabilità. Rendimento totale e consumo specifico di combustibile. Applicazioni numeriche sui motori alternativi a combustione interna (TAV. 4). Motori dinamici (turbomotori). Sistemi a combustione esterna (circuito chiuso) e sistemi a combustione interna (circuito aperto). Schemi d'impianto. Cicli termodinamici ideali Joule (Brayton) e Holzwarth; calcolo del rendimento e del lavoro utile. Applicazioni numeriche sui cicli ideali di riferimento dei motori dinamici (TAV. 4). Turbogas; ciclo termodinamico nel caso di macchine reali, circuito a massa non costante. Prestazioni energetiche dei turbogas; potenza, rendimento totale e consumo specifico di calore. Lavoro utile e rapporto dei lavori di compressione ed espansione. Rigenerazione termica nel caso ideale e nel caso reale. Grado di rigenerazione. Calcolo del rendimento nel caso di rigenerazione perfetta e ciclo Joule ideale. Determinazione analitica e grafica delle possibilità di recupero di energia termica e di energia meccanica. Applicazioni numeriche sui turbogas (TAV. 4). "4.3. Sistemi Combinati". Classificazione. Sistemi combinati gas/vapore. Caratteristiche e prestazioni energetiche. Schemi d'impianto. Generatori di vapore a recupero di calore. Rendimento totale e rapporto tra le potenze nei sistemi combinati gas/vapore senza postcombustione (unfired) e con post-combustione (fired). Parametro di integrazione termica. Applicazioni numeriche sui sistemi combinati gas/vapore (TAV. 4). Sistemi cogenerativi. Produzione combinata di lavoro e calore utile. Schemi d'impianto. Analisi energetica. Normativa italiana. Teleriscaldamento. Risparmio di energia primaria. Coefficienti di prestazione. Applicazioni numeriche sui sistemi cogenerativi (TAV. 4). [2] 7 [4] 8 [4] 7 [5] 3 [4] 7,9 [5] 5

3 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 3 di "5. Sistemi Termici Operatori". Classificazione. Compressori. Compressori alternativi; volume nocivo. Compressori centrifughi. Compressione in più stadi interrefrigerati; risparmio energetico, calcolo delle pressioni intermedie ottimali, suddivisione del lavoro totale. Applicazione numerica su una compressione isoentropica in due stadi con refrigerazione intermedia (TAV. 5). Compressori adiabatici e non adiabatici; analisi energetica, coefficienti di prestazione, relazioni tra i rendimenti. Compressori assiali. Compressione adiabatica in più stadi non interrefrigerati; rendimento totale. Compressioni sul piano termodinamico "exergia fisica - entalpia". Compressori volumetrici rotanti. Impianti a ciclo inverso. Schema d'impianto a semplice compressione di vapore. Ciclo termodinamico limite. Piano termodinamico "pressione - entalpia". Cenni sui fluidi operatori. Frigoriferi e pompe di calore; analisi energetica, coefficienti di prestazione, relazione tra rendimento exergetico e coefficienti di effetto utile. Applicazioni numeriche su frigoriferi e pompe di calore (TAV. 5). "6. Sistemi Idraulici". Caratteristiche e classificazione. Sistema idraulico motore; schema d'impianto. Equazione dell'energia; applicazioni ai sistemi idraulici motori. Macchine idrauliche motrici. Cenni sulla teoria della similitudine; numero di giri specifico. Turbine idrauliche ad azione e a reazione. Turbina Pelton; triangoli delle velocità, potenza e rendimento, condizioni di massimo rendimento. Applicazione numerica sul calcolo del numero di giri specifico e sul dimensionamento di una turbina idraulica (TAV. 6). Macchine idrauliche operatrici. Numero di giri specifico. Pompe volumetriche (alternative e rotanti). Pompe dinamiche (radiali e assiali). Pompe centrifughe. Curve caratteristiche. Fenomeno della cavitazione; NPSH (Net Positive Suction Head), altezza di aspirazione. Applicazioni numeriche sulla verifica di assenza di cavitazione (TAV. 6). [3] 4 [4] 11 [2] 7 [4] 13 [4] 10 [5] 1 [4] 12

4 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 4 di 6 SISTEMI ENERGETICI (9 CFU) Testi di Riferimento [1] Acton, Caputo, "Introduzione allo studio delle Macchine", UTET, Torino, [2] Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, Milano, [3] Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Krieger Publishing, Melbourne, FL, USA, [4] Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Napoli, [5] Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, [1] ACTON-CAPUTO INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLE MACCHINE 0 Precisazioni preliminari 1 Conversione dell'energia e 1 Fabbisogni e produzione di energia 1 Conversione dell'energia e 3 Classificazioni e caratteristiche generali delle macchine a fluido 1 Conversione dell'energia e 4 La combustione 5 Richiami sulla trasmissione del calore 6 I processi termici e termodinamici delle macchine La trasformazione adiabatica reale di compressione I lavori ed i rendimenti d'espansione 6.3 Il comportamento termodinamico dei fluidi 10 La teoria della similitudine nello studio delle macchine I criteri di similitudine Il teorema del π 2 Termodinamica Applicata 1 Conversione dell'energia e [2] ÇENGEL TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE 1 I concetti fondamentali della termodinamica 2 Termodinamica Applicata 2 Le proprietà delle sostanze pure 3 Il primo principio della termodinamica: i sistemi chiusi 2 Termodinamica Applicata 4 Il primo principio della termodinamica: i volumi di controllo 5 Il secondo principio della termodinamica 2 Termodinamica Applicata 6 L'entropia 2 Termodinamica Applicata 7 Cicli diretti e cicli inversi 2 Termodinamica Applicata 4.2 Sistemi Motori a Gas 5 Sistemi Termici Operatori

5 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 5 di 6 [3] KOTAS THE EXERGY METHOD OF THERMAL PLANT ANALYSIS 1 Review of the Fundamentals 2 Termodinamica Applicata 2 Basic Exergy Concepts 2.1 Classification of forms of energy 2.2 The concept of exergy 2.3 Exergy concepts for a control region 2.4 Physical exergy 2.5 Chemical exergy 3 Elements of Plant Analysis 3.2 Control region analysis 3.4 Criteria of performance 3.5 Pictorial representation of the exergy balance 3.6 Exergy-based property diagrams 4 Exergy Analysis of Simple Processes 4.1 Expansion processes 4.2 Compression processes 4.6 Combustion processes App. A Chemical exergy and Enthalpy of Devaluation Standard chemical exergy App. C Chemical Exergy of Industrial Fuels Eq. (C.2) Table C.1 Typical values of ϕ for some industrial fuels and other combustible substances 5 Sistemi Termici Operatori [4] DELLA VOLPE MACCHINE 2 Combustibili e combustione 3 Termodinamica applicata Cenni di fluidodinamica e di trasmissione del calore 4 Rendimenti e principi di funzionamento delle macchine a fluido 2 Termodinamica Applicata 5 Generatori di vapore 6 Impianti motori a vapore 7 Impianti motori con turbine a gas 4.2 Sistemi Motori a Gas 8 Motori alternativi a combustione interna 4.2 Sistemi Motori a Gas 9 Impianti per la produzione combinata di energia elettrica e di calore 4.3 Sistemi Combinati 10 Impianti motori idraulici 6 Sistemi Idraulici 11 Compressori 5 Sistemi Termici Operatori 12 Pompe 6 Sistemi Idraulici 13 Impianti operatori 5 Sistemi Termici Operatori

6 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 6 di 6 [5] ACTON-CAPUTO IMPIANTI MOTORI 1 Impianti idraulici e macchine Teoria della similitudine (numero di giri specifico) 2 Impianti motori a vapore Condizioni al condensatore Condizioni in caldaia Surriscaldamento e risurriscaldamento Rigenerazione termica e spillamenti di vapore 6 Sistemi Idraulici 3 Impianti con turbine a gas 4.2 Sistemi Motori a Gas 5 Gli impianti combinati 4.3 Sistemi Combinati 6 Caldaie (generatori di vapore), condensatori, rigeneratori 6.1 Caldaie (generatori di vapore) Tiraggio Rendimento 6.2 Condensatori 6.3 Rigeneratori Degasatori