Corsi di Macchine e Sistemi Energetici e di Termodinamica e Macchine

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1 Facoltà di Ingegneria e Architettura Corsi di Macchine e Sistemi Energetici e di Termodinamica e Macchine Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università degli Studi di Cagliari Mail: daniele.cocco@unica.it Web: A.A

2 In questo corso ci occuperemo di ENERGIA

3 Cosa è l Energia? L energia può essere definita come la capacità di produrre cambiamenti, ovvero di produrre trasformazioni. Pertanto, l energia entra in gioco ovunque vi sia del movimento, del calore scambiato o una reazione chimica. L energia è alla base di qualunque nostra attività e la utilizziamo per alimentarci, riscaldarci, spostarci, produrre beni e servizi, etc.

4 Consumo Mondiale di Energia Tasso medio annuo di crescita 4-5%

5 Produzione di Energia Elettrica

6 La Conversione dell Energia Fonti Primarie Sole (radiante) Vento (cinetica) Acqua (potenziale) Combustibili (chimica) Uranio (nucleare) Fotovoltaico Fuel cell Combustore Reattore nucleare Turbina eolica Turbina idraulica Fonti Secondarie Pannello solare Energia elettrica Generatore Energia meccanica Ciclo termodinamico Energia termica

7 Impianti Eolici

8 Impianti Idroelettrici Sezione di presa (o bacino di monte) Pozzo piezometrico 1 Vasca di carico H 0 Canale a pelo libero Condotta forzata Centrale A S Sezione di scarico (o bacino di valle) 2

9 Impianti Solari

10 Impianti a Vapore

11 Impianti a Vapore aria (comburente) Fumi (EF=10%) vapore ~ Energia elettrica (EE=40%) Combustibile (EC=100%) generatore di vapore turbina a vapore acqua vapore circuito acqua di alimento acqua condensatore Calore (ER=50%)

12 Impianti a Vapore

13 Impianti di Turbina a Gas Combustibile EC=100% CC Energia elettrica EE=35% C T ~ aria Fumi EF=65%

14 Impianti di Turbina a Gas

15 Impianti Combinati Gas/Vapore Calore ER=35% Combustibile EC=100% Aria ~ Turbina a gas fumi vapore ~ Generatore di vapore Ciclo a vapore Energia elettrica ETG=35% Fumi EF=10% Energia elettrica ETV=20%

16 AMBIENTALI CHIMICI ELETTRICI Gli argomenti del corso I. Termodinamica Applicata (30 ore, 3 Crediti) II. Macchine a Fluido (30 ore, 3 Crediti) III. Sistemi Energetici (30 ore, 3 Crediti)

17 I. Termodinamica Applicata PARTE I Termodinamica Applicata Argomenti del corso Primo Principio della Termodinamica. Sistema termodinamico e proprietà. Le diverse forme di energia. Primo principio per sistemi chiusi. Energia interna ed entalpia. Calori specifici. Conservazione della massa. Primo principio per sistemi aperti. Sostanze pure e miscele di gas. Piani TS e HS e loro proprietà. Diagrammi di fase PT, PV e PVT. Equazione di Clapeyron. Titolo del vapore, proprietà termodinamiche in equilibrio bifase liquido-vapore. L acqua, diagramma TS e HS (di Mollier) e tabelle termodinamiche dell acqua. Composizione massica, molare volumetrica delle miscele di gas. Leggi di Dalton e di Amagat. Proprietà volumetriche e termodinamiche delle miscele di gas ideali. Cicli e secondo principio della Termodinamica. Cicli termodinamici. Definizione di rendimento, Ciclo di Carnot, Otto, Rankine, Stirling, Brayton. Teorema di Carnot e definizione della temperatura assoluta. Secondo principio della termodinamica. Reversibilità e irreversibilità. Formulazioni di Kelvin e di Clausius. Diseguaglianza di Clausius e definizione dell entropia. Fondamenti di Trasmissione del calore. Conduzione, legge di Fourier, conducibilità termica. Convezione, legge di Newton, convezione naturale e forzata. Coefficiente di convezione, resistenza termica coefficiente globale di trasmissione del calore. Irraggiamento, legge di Stefan-Boltzman. Ore 30 (3 CF)

18 I. Termodinamica Applicata È possibile sapere quanti kg di gas (azoto, ossigeno, metano, etc.) sono contenuti in un serbatoio misurandone solo pressione e temperatura?

19 I. Termodinamica Applicata Quanto gasolio consuma una caldaia che produce 100 litri/giorno di acqua calda sanitaria a 50 C?

20 I. Termodinamica Applicata Quale spessore di isolante occorre prevedere per evitare una eccessiva diminuzione di temperatura di un fluido che scorre in una tubazione?

21 II. Macchine a Fluido PARTE II Macchine a Fluido Prestazioni delle macchine a fluido. Classificazione delle macchine a fluido. Le trasformazioni di compressione e di espansione: lavori e rendimenti. Problemi di progetto e di verifica. Principi di funzionamento delle macchine a fluido. Il concetto di stadio di una turbomacchina: lo statore ed il rotore. L equazione di Eulero ed i triangoli di velocità. Ugelli e diffusori: grandezze di ristagno, forma dei condotti e rendimenti. Il flusso nei condotti rotorici: grado di reazione, forma delle palettature e rendimenti. Macchine motrici. Classificazione e prestazioni. Turbine ad azione e turbine a reazione. Caratteristiche costruttive delle turbine a vapore e delle turbine a gas. Cenni alle turbine idrauliche ed alle turbine eoliche. Macchine operatrici. Macchine dinamiche: pompe, compressori e ventilatori. Prestazioni e principali caratteristiche costruttive. Problemi di scelta della macchina operatrice in relazione al circuito. Macchine operatrici in serie e in parallelo. Avviamento e cavitazione delle pompe. Cenni alle macchine operatrici volumetriche alternative e rotative. 30 (3 CF)

22 II. Macchine a Fluido Quale pompa si deve scegliere per far circolare una portata di 20 l/minuto di acqua in un impianto solare?

23 II. Macchine a Fluido Come si può verificare in sede di collaudo il rendimento di un compressore?

24 II. Macchine a Fluido Posso utilizzare una pompa installata a livello del suolo per prelevare acqua da un pozzo profondo 20 metri?

25 III. Sistemi Energetici PARTE III Sistemi Energetici Gli impianti motori termici. Rendimento globale e consumo specifico di un impianto motore termico. Fattore di utilizzazione e costo di produzione dell energia elettrica. Cenni agli impianti idroelettrici. Impianti a vapore. Ciclo di riferimento, bilancio energetico e rendimento. Influenza dei parametri operativi sulle prestazioni di un ciclo a vapore. Surriscaldamenti ripetuti e rigenerazione termica. Schemi di impianto. I principali componenti di impianto: generatore di vapore, condensatore, pompe, degasatore e rigeneratori. Cenni alle emissioni inquinanti. Turbine a gas. Ciclo di riferimento, bilancio energetico e rendimento. Condizioni di massimo lavoro utile e di massimo rendimento. Turbine a gas rigenerate, con compressione interrefrigerata e con ricombustione. Tecnologie correnti delle microturbine a gas e delle turbine a gas per uso industriale. Cenni alle emissioni inquinanti. Impianti combinati. Gli impianti a ciclo combinato gas/vapore: schema d impianto e prestazioni. Il bilancio energetico al generatore di vapore a recupero. Impianti di cogenerazione. La produzione combinata di energia elettrica e termica. Configurazioni impiantistiche e prestazioni (rendimenti e risparmio di energia primaria). 30 (3 CF)

26 III. Sistemi Energetici Come si valuta il costo di produzione dell energia di una centrale termoelettrica?

27 III. Sistemi Energetici Quanto combustibile si può risparmiare installando in azienda un impianto di cogenerazione?

28 III. Sistemi Energetici Come si può valutare il rendimento di una caldaia?

29 Libri di testo consigliati Yunus A. Cengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, McGraw-Hill Libri Italia Vincenzo Dossena e Al., Macchine a Fluido, CittàStudi Edizioni

30 Per approfondimenti Giorgio Cornetti, Macchine idrauliche e Macchine termiche, Edizioni il Capitello Renato Della Volpe, Esercizi di Macchine, Liguori Editore Carlo Carcasci e Bruno Facchini, Esercitazioni di Sistemi Energetici, Società Editrice Esculapio

31 Materiale didattico e informazioni: Ricevimento studenti: Tutti i giorni, previo appuntamento via mail Modalità d esame: una prova scritta e una prova orale. Sono previste 3 prove di valutazione intermedie (2 per i corsi da 6 crediti), il cui superamento esonera dalla prova scritta.

32 Cit. Legge di Murphy sugli esami