Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 1. ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI Primo Periodo di Lezioni

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1 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 1 ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI Primo Periodo di Lezioni 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 e simbologia. Sistemi energetici. Macchine e impianti. Macchine a fluido per la conversione dell'energia. Classificazione delle macchine a fluido. Sistemi di unità di misura. Sistema internazionale di unità. Fattori di conversione. Analisi dimensionale. Principio di omogeneità dimensionale. Metodo di Rayleigh. Teorema del π di Buckingham. Applicazioni esemplificative sull'analisi dimensionale, cenni sulla meccanica dei fluidi, numero di Reynolds, moto laminare e moto turbolento; (TAV. 1). Problema energetico. Cenni storici. Produzione di energia elettrica. Fonti di energia e sistemi di conversione, convenzionali e non convenzionali. [1] 0 [1] 3 [1] 1 [1] 10 "2. Energetica Applicata". Fondamenti di termodinamica. Definizioni; sistema, stato, proprietà, processo. Trasformazione quasi statica. Sistemi chiusi. Primo principio della termodinamica; energia interna. Convenzione classica sui segni dei trasferimenti dell'energia. [2] Calore e lavoro. Lavoro di trasformazione e lavoro all'albero. Entalpia. Secondo principio della 1 termodinamica; entropia. Postulato dell'entropia. Equazione di Gibbs. Gas perfetto. Capacità termiche. Legge di Mayer. Aria atmosferica standard. Variazione di entropia dei gas perfetti. Trasformazione politropica. Esponente della politropica. Principali piani termodinamici. Esponente ed equazioni dell'adiabatica reversibile. Impiego dei piani termodinamici per la determinazione grafica del lavoro all'albero nei processi adiabatici di compressione e di espansione, ideali e reali. Processi termodinamici, circuiti del fluido e cicli termodinamici nelle macchine. Cicli diretti e inversi. Cicli di riferimento. Ciclo ideale, limite e reale. Coefficienti di prestazione dei sistemi energetici. Rendimenti, consumi specifici, coefficienti di effetto utile. Applicazioni numeriche sui coefficienti di prestazione; (TAV. 2). "3. Energia ed Exergia". Sistemi aperti. Bilanci di massa e di energia. Sistemi isolati. 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 lavoro di ripristino a tre casi esemplificativi. Produzione di entropia per i sistemi chiusi e per i sistemi aperti. Considerazioni sulla scelta del confine dei sistemi chiusi e della superficie di controllo dei sistemi aperti. Applicazione numerica sul calcolo della produzione di entropia di un sistema isolato e dell'irreversibilità ad essa associata (interpretazione ingegneristica); (TAV. 3). Lavoro ideale di una reazione chimica. Funzione di Gibbs. Classificazione delle 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. Applicazioni numeriche e grafiche sul calcolo dell'exergia termica; (TAV. 3). Exergia fisica. Caso dei gas perfetti. Andamento dell'exergia fisica in funzione della temperatura. 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 delle due componenti dell'exergia fisica dei gas perfetti e sul calcolo dell'exergia chimica; (TAV. 3). Irreversibilità e criteri di prestazione. Bilancio di exergia (principio di degradazione dell'energia). Rendimento exergetico. Irreversibilità adimensionali. Perdite di rendimento. Rappresentazioni grafiche. Diagrammi di Grassmann (diagrammi di Sankey). Diagrammi a torta. Piano termodinamico exergia fisica - entalpia. Alcuni esempi. Applicazioni esemplificative sul calcolo e sulla rappresentazione grafica delle irreversibilità nei sistemi aperti e nei sistemi chiusi. Applicazione numerica sul calcolo del flusso di irreversibilità in un sistema aperto (interpretazione ingegneristica); (TAV. 3). [1] 6 [4] 4 [2] 4

2 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag "4. Sistemi Motori a Vapore". Vapore saturo. Proprietà del vapore d'acqua. Titolo. Tabelle e diagramma di Mollier. Determinazione dello stato fisico del vapore, calcolo delle proprietà termodinamiche del vapore saturo e rappresentazione sui principali piani termodinamici. Schema dell'impianto motore a vapore. 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. Condensazione del vapore. Scelta della pressione minima. Determinazione della pressione massima. Ciclo Hirn suddiviso in cicli parziali. Temperature medie di introduzione del calore e quantità di calore introdotto. Consumo specifico di vapore. Centrali termoelettriche. Applicazioni numeriche sul calcolo della portata d'acqua di condensazione; (TAV. 4). Applicazioni numeriche e grafiche sulle temperature medie di introduzione del calore e sulle quantità di calore introdotte; (TAV. 4). Rigenerazione termica. Spillamenti di vapore. Rigeneratori a superficie ed a miscelazione. Bilanci di materia e di energia. Rendimento e potenza in presenza di uno spillamento. Applicazioni numeriche sul ciclo Hirn con spillamento rigenerativo nel caso di ciclo limite; (TAV. 4). Rendimento totale di un gruppo motore a vapore con macchine reali. Ciclo reale. Fattori del rendimento. Rendimento totale e consumo specifico di calore. Applicazioni numeriche sul ciclo Hirn con macchine reali; (TAV. 4). Turbomacchine motrici. Processi di espansione. Coefficienti di prestazione delle espansioni adiabatiche. Relazione tra rendimento isoentropico e rendimento exergetico. Turbine ad azione e a reazione. Grado di reazione. Triangoli delle velocità. Rendimenti delle turbine a più stadi. Espansione adiabatica sul piano exergia fisica - entalpia. [2] 2,7 [4] 6 [4] 6 [5] 2 [4] 6 [5] 2 4 [4] 4 ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI Secondo Periodo di Lezioni Settimana ARGOMENTO Rifer "5. Generatori di Vapore". Circuito aria - fumi e circuito acqua - vapore. Cenni sulla combustione. Aspetti chimici. Calcolo della massa d'aria e della massa di fumi. Aspetti fisici della combustione. Potere calorifico dei combustibili. Formula di Dulong. Calcolo della temperatura fittizia di combustione. Combustibili gassosi, liquidi e solidi; composizione e proprietà. Applicazioni numeriche sul calcolo dell'aria necessaria per la combustione e della temperatura fittizia di combustione; (TAV. 5). Trasmissione del calore. Conduzione e convezione. Costante di scambio termico totale e resistenze termiche. Irraggiamento e temperatura effettiva di combustione. Applicazioni numeriche sul calcolo della temperatura effettiva di combustione; (TAV. 5). Calcolo dell'area della superficie della caldaia. Combustione adiabatica. Analisi e calcolo delle irreversibilità. Possibili interventi per la riduzione delle irreversibilità. Preriscaldamento dell'aria comburente (preriscaldatori Ljungström). Determinazione analitica e grafica delle irreversibilità di una combustione non adiabatica. Perdite di energia e calcolo del rendimento energetico. Fumi alla base del camino; temperatura di rugiada acida. Tiraggio naturale e forzato. Camino e inquinamento. Analisi exergetica del generatore di vapore. Calcolo del rendimento exergetico. Relazione tra rendimento energetico ed exergetico. Calcolo dell'irreversibilità totale. Principali cause di irreversibilità. Applicazioni numeriche sul rendimento energetico e sul rendimento exergetico; (TAV. 5). Applicazioni grafiche sulla determinazione dell'altezza del camino ai fini del tiraggio. "6. Sistemi Motori a Gas". Classificazione. Cicli termodinamici a gas. Ciclo ideale Lenoir. Temperature medie di introduzione e sottrazione del calore. Calcolo del rendimento. Descrizione e rappresentazione dei cicli semplici a gas. Motori volumetrici a combustione interna. Cicli termodinamici Otto, Diesel e Sabathé. Calcolo del rendimento ideale. Applicazioni numeriche e grafiche sul ciclo Lenoir e sui cicli ideali di riferimento dei motori volumetrici a combustione interna; (TAV. 6). [1] 4 [4] 2,5 [5] 6 [1] 5 4 [4] 3,4 4 [5] 6 [2] 7 [4] 8

3 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag Motori alternativi a combustione interna. Diagrammi indicati. Pressione media indicata ed effettiva. Momento motore. Accensione comandata e spontanea. Motori a 4 e 2 tempi. Motori aspirati e sovralimentati. Volume della camera di combustione. Fattori del rendimento e della potenza. Rendimento totale e consumo specifico di combustibile. Curve caratteristiche. Condizione di stabilità. Motori dinamici (turbomotori). Sistemi a combustione esterna (circuito chiuso) e sistemi a combustione interna (circuito aperto). Cicli termodinamici Joule (Brayton) e Holzwarth. Calcolo del rendimento ideale. Calcolo del lavoro utile ideale. Applicazioni numeriche e grafiche sui cicli ideali di riferimento dei turbomotori a gas; (TAV. 6). Turbogas. Ciclo termodinamico con macchine reali. Circuito a massa non costante. Prestazioni energetiche. 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 in presenza di rigenerazione perfetta e ciclo Joule ideale. Determinazione analitica e grafica delle possibilità di recupero di energia termica e di energia meccanica. Applicazioni numeriche sulle prestazioni energetiche dei turbomotori a gas e sulle possibilità di recupero di calore utile e di lavoro; (TAV. 6). "7. Sistemi Combinati". Classificazione. Sistemi combinati gas/vapore. Caratteristiche e prestazioni energetiche. Generatori di vapore a recupero di calore. Schemi d'impianto. Rendimento totale e rapporto tra le potenze nei sistemi combinati gas/vapore senza postcombustione (unfired) e con post-combustione (fired). Parametro di integrazione termica. Ripotenziamento delle centrali termoelettriche. Esempi di ripotenziamento. Applicazioni numeriche sui sistemi combinati gas/vapore e sul calcolo del massimo valore del parametro di integrazione termica; (TAV. 7). [2] 7 [4] 7 [5] 3 [4] 7 [5] 3 [4] 7 [5] 5 Sistemi cogenerativi. Produzione di lavoro e calore utile. Analisi energetica. Coefficienti di prestazione. Classificazione in base ai gruppi di potenza. Schemi d'impianto. Normativa italiana. Cogenerazione e teleriscaldamento. Interconnessioni energetiche. Condizioni nominali [4] 9 e campo di funzionamento. Rendimenti, consumi specifici convenzionali e indici caratteristici. [5] 5 Risparmio di energia primaria e indice di risparmio. Applicazioni numeriche sui coefficienti di prestazione dei sistemi cogenerativi; (TAV. 7). "8. Sistemi Termici Operatori". Compressori. Compressori alternativi. Volume nocivo. Rendimento volumetrico. Calcolo del rapporto di compressione massimo. Compressori rotanti (volumetrici e dinamici). Curve caratteristiche dei compressori centrifughi. Compressione adiabatica reversibile in più stadi interrefrigerati. Risparmio energetico. Calcolo delle pressioni 4 intermedie ottimali. Lavoro richiesto dai singoli stadi. Applicazione numerica su una [4] 11 compressione isoentropica in due stadi con refrigerazione intermedia; (TAV. 8). Coefficienti di prestazione dei compressori adiabatici e non adiabatici. Relazioni tra rendimento exergetico, isoentropico ed isotermo. Rendimenti dei compressori adiabatici a più stadi non interrefrigerati. Compressione adiabatica sul piano exergia fisica - entalpia. Impianti a ciclo inverso. Schemi d'impianto. Cicli termodinamici inversi. Cenni sui fluidi operatori. Piano termodinamico pressione - entalpia. Frigoriferi. Pompe di calore. Circuiti del fluido. Analisi energetica. Coefficienti di prestazione. Relazione tra rendimento exergetico e coefficienti di effetto utile. Applicazioni numeriche su frigoriferi e pompe di calore; (TAV. 8). "9. Sistemi Idraulici". Sistemi motori e operatori. Impianto idraulico motore. Schema d'impianto. Equazione dell'energia. Applicazioni dell'equazione dell'energia ai sistemi idraulici motori. Macchine idrauliche motrici. Teoria della similitudine e 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 su determinazione del numero di giri specifico e dimensionamento delle turbine idrauliche; (TAV. 9). [2] 7 [4] 13 [4] 10 [5] 1 Macchine idrauliche operatrici. Descrizione e classificazione. Numero di giri specifico. Pompe volumetriche (alternative e rotanti). Pompe dinamiche (radiali e assiali). Pompe centrifughe. [4] 12 Curve caratteristiche. Fenomeno della cavitazione. NPSH (Net Positive Suction Head). Altezza di aspirazione. Applicazioni numeriche sulla verifica di assenza di cavitazione; (TAV. 9).

4 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 4 ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI Testi di Riferimento [1] Acton, Caputo, "Introduzione allo studio delle Macchine", UTET, Torino, [2] Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, Milano, 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 Generatori di Vapore 5 Richiami sulla trasmissione del calore 5 Generatori di Vapore 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 Energetica Applicata 1 Conversione dell'energia e [2] ÇENGEL TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE 1 I concetti fondamentali della termodinamica 2 Energetica Applicata 2 Le proprietà delle sostanze pure 4 Sistemi Motori a Vapore 3 Il primo principio della termodinamica: i sistemi chiusi 2 Energetica Applicata 4 Il primo principio della termodinamica: i volumi di controllo 5 Il secondo principio della termodinamica 2 Energetica Applicata 6 L'entropia 2 Energetica Applicata 7 Cicli diretti e cicli inversi 2 Energetica Applicata 4 Sistemi Motori a Vapore 6 Sistemi Motori a Gas 8 Sistemi Termici Operatori

5 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 5 KOTAS THE EXERGY METHOD OF THERMAL PLANT ANALYSIS 1 Review of the Fundamentals 2 Energetica 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 bilance 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 4 Sistemi Motori a Vapore 5 Generatori di Vapore 8 Sistemi Termici Operatori [4] DELLA VOLPE MACCHINE 2 Combustibili e combustione 5 Generatori di Vapore 3 Termodinamica applicata Cenni di fluidodinamica e di trasmissione del calore 5 Generatori di Vapore 4 Rendimenti e principi di funzionamento delle macchine a fluido 2 Energetica Applicata 5 Generatori di vapore 5 Generatori di Vapore 6 Impianti motori a vapore 4 Sistemi Motori a Vapore 7 Impianti motori con turbine a gas 6 Sistemi Motori a Gas 8 Motori alternativi a combustione interna 6 Sistemi Motori a Gas 9 Impianti per la produzione combinata di energia elettrica e di calore 7 Sistemi Combinati 10 Impianti motori idraulici 9 Sistemi Idraulici 11 Compressori 8 Sistemi Termici Operatori 12 Pompe 9 Sistemi Idraulici 13 Impianti operatori 8 Sistemi Termici Operatori

6 Roberto Lensi Articolazione delle Lezioni e Testi di Riferimento Pag. 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 9 Sistemi Idraulici 4 Sistemi Motori a Vapore 3 Impianti con turbine a gas 6 Sistemi Motori a Gas 5 Gli impianti combinati 7 Sistemi Combinati 6 Caldaie (generatori di vapore), condensatori, rigeneratori 6.1 Caldaie (generatori di vapore) Tiraggio Rendimento 6.2 Condensatori 6.3 Rigeneratori Degasatori 5 Generatori di Vapore