Conoscenza di base dell analisi matematica, della fisica (meccanica e termodinamica) e della macchine a fluido.

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1 Insegnamento Livello e corso di studio Settore scientifico disciplinare (SSD) Sistemi per l Energia e l Ambiente Laurea Triennale in Ingegneria Industriale ING/IND-09 Anno di corso 3 Numero totale di crediti Propedeuticità Docente Obiettivi formativi Prerequisiti 9 Macchine Raffaello Cozzolino Facoltà: Ingegneria Industriale Nickname: cozzolino.raffaello raffaello.cozzolino@unicusano.it Orario di ricevimento: Consultare il calendario alla pagina seguente del nostro sito verificando gli orari di Videoconferenza Il corso si propone di illustrare criticamente le possibilità di sviluppo dei sistemi di conversione dell energia convenzionali, basati sull utilizzo delle fonti fossili. Nell ottica della diversificazione delle fonti fossili e del risparmio energetico, nel corso vengono anche presentate, rispettivamente, le tecnologie per l uso pulito del carbone, i sistemi di cogenerazione. Infine, a completamento della trattazione sui sistemi energetici, vengono presentate le tecnologie innovative a idrogeno, quali le celle a combustibile. Conoscenza di base dell analisi matematica, della fisica (meccanica e termodinamica) e della macchine a fluido. Contenuti del corso RICHIAMI DI TERMODINAMICA (Settimana 1; Modulo 0; Test di autovalutazione 0-1, 0-6) La termodinamica: funzioni di stato, gas perfetti, primo e secondo principio, cicli, piano T-s e p-v, trasformazioni ideali reali e rendimento. PROBLEMA ENERGETICO (Settimana 2; Modulo 1; Test di autovalutazione 1-1, 1-2) Il problema energetico: le fonti energetiche convenzionali e rinnovabili, sviluppo sostenibile, scenario italiano. IMPIANTI MOTORE TURBINA A VAPORE (Settimane 3,4; Modulo 2; Test di autovalutazione 2-1, 2-5) Impianti motori Turbina a Vapore (IMTV): Considerazioni termodinamiche, Risurriscaldamento e rigenerazione, Ottimizzazione del rendimento interno, Evoluzione e prospettive di sviluppo, Sistemi di ripotenziamento degli IMTV esistenti. IMPIANTI MOTERE TURBINA A GAS (Settimane 5,6; Modulo 3; Test di autovalutazione 3-1, 3-4) Impianti motori con turbine a gas (IMTG): Generalità sull evoluzione delle TG industriali e aeronautiche, Tendenze di sviluppo delle TG industriali e aeronautiche, Ciclo ideale, limite e reale, La refrigerazione delle 1

2 pale, Analisi delle prestazioni, Interventi sul ciclo e rigenerazione termica. IMPIANTI A CICLO COMBINATO (Settimane 7,8; Modulo 4; Test di autovalutazione 4-1, 4-4) Impianti a ciclo combinato gas-vapore: Considerazioni termodinamiche, Metodologie di progetto, Rendimento del ciclo, Caldaia a recupero e caratteristiche costruttive, Assetti dei cicli a recupero, Prospettive di sviluppo dei CC. GASSIFICAZIONE INTEGRATA CON CICLO COMBINATO (Settimane 9,10; Modulo 5; Test di autovalutazione 5-1, 5-3) Impiego pulito del carbone: Gassificazione del carbone e relative tecnologie, Gassificatore a letto fisso, gassificassero a letto fluido, gassificassero a letto trascinato, Syngas cooler, Tecnologie di depurazione, Impianti IGCC. CELLE A COMBUSTIBILE (Settimana 11; Modulo 6; Test di autovalutazione 6-1) Le Celle a Combustibile: Considerazioni generali, Principio di funzionamento, Funzionamento reale e perdite, Classificazione, Prestazioni e campi di applicazione. LA COGENERAZIONE (Settimana 12; Modulo 7; Test di autovalutazione 7-1) Le cogenerazione: Considerazioni generali, Quadro normativo Italiano ed Europeo, Le tecnologie per la cogenerazione, Criteri di scelta e dimensionamento Materiali di studio MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Testi consigliati: - Turbine a gas e cicli combinati, G. Lozza, Ed. Progetto Leonardo Metodi didattici Modalità di verifica dell apprendimento Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove i docenti e/o i tutor individuano i temi e gli argomenti più significativi dell insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. L esame in sede esterna consiste in una prova scritta della durata di 90 minuti, la prova presso la sede di Roma consiste in un colloquio orale. La prova, indipendentemente che si tratti di appello in sede esterna o in sede centrale a Roma, è costituita da 4 quesiti di teoria a risposta aperta che possono riguardare l'intero programma svolto. Il consiglio che posso dare è di porre uguale attenzione a tutti i quesiti avendo questi tutti uguale votazione in sede di valutazione. Come sempre esplicitato nelle prove d'esame scritto non è consentito l'uso di dispense o altro materiale durante la prova d'esame. Tuttavia, gli studenti che hanno sostenuto la prova scritta presso la sede esterna, conseguendo un voto almeno pari a 18/30, possono chiedere in modo del tutto facoltativo di sostenere una prova orale. L esito di tale prova orale facoltativa può, ovviamente, contribuire ad accrescere il voto finale ottenuto dallo studente, ma anche farlo decrescere in caso di una prova scarsa. Per la preparazione vi consiglio di svolgere tutti i test di autovalutazione presenti in piattaforma che rappresentano un utile strumento per verificare l'assimilazione dei concetti precedentemente studiati. L'indipendenza e la sicurezza nello svolgimento degli stessi sono fattori fondamentali per il superamento dell'esame. 2

3 Criteri per l assegnazione dell elaborato finale L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 0 - Lezione 1 Richiami di termodinamica: funzioni di stato, gas perfetti, piano T-s e p-v. Modulo 0 - Lezione 2 Richiami di termodinamica: primo e secondo principio, funzione entropia, piano T-s e p-v. Modulo 0 - Lezione 3 Richiami di termodinamica: applicazione dell equazione dell energia, espanzione e compressione ideale. Modulo 0 - Lezione 4 Richiami di termodinamica: espanzione e compressione reale e rendimento. Modulo 0 - Lezione 5 Richiami di termodinamica: lavoro politropico, rendimento politropico di espansione e compressione. Modulo 0 - Lezione 6 Richiami di termodinamica: compressione isoterma e interrefrigerata, espansione isoterma, ciclo di carnot, effetto di carnot, effetto di molteplicità delle sorgenti, effetto clausius. Modulo 1 - Lezione 1 Problematiche energetiche ed ambientali: definizione di energia, rivoluzione energetica, l analisi del problema energetico Modulo 1 - Lezione 2 Problematiche energetiche ed ambientali: le fonti energetiche, il carbone, il gas naturale, il petrolio, il nucleare, le fonti rinnovabili, domanda e produzione di energia. Modulo 1 - Lezione 3 Problematiche energetiche ed ambientali: lo sviluppo sostenibile, protocollo di kyoto, fabbisogno italiano, bilancio elettrico nazionale. Modulo 2 - Lezione 1 Impianti motore turbina a vapore: generalità sugli IMTV, criteri di ottimizzazione Modulo 2 - Lezione 2 Impianti motore turbina a vapore: il surriscaldamento, la rigenerazione termica 3

4 Modulo 2 - Lezione 3 Impianti motore turbina a vapore: ottimizzazione del rendimento interno, i componenti, i combustori a letto fluido Modulo 2 - Lezione 4 Impianti motore turbina a vapore: impianti a vapore ultra supercritici Modulo 2 - Lezione 5 Impianti motore turbina a vapore: il ripotenziamento degli impianti a vapore Modulo 2 - Lezione 6 Impianti motore turbina a vapore: ottimizzazione del ciclo Hirn, le condizioni ottime al condensatore e all evaporatore Modulo 2 - Lezione 7 Impianti motore turbina a vapore: la rigenerazione termica e i bilanci di massa e di energia Modulo 2 - Lezione 8 Impianti motore turbina a vapore: i generatori di vapore, classificazione e schemi, calcolo del rendimento e delle perdite Modulo 3 - Lezione 1 Impianti motore turbina a gas: le turbine a gas, generalità. Modulo 3 - Lezione 2 Impianti motore turbina a gas: il ciclo reale Modulo 3 - Lezione 3 Impianti motore turbina a gas: l incremento della TIT, sviluppo di nuovi materiali Modulo 3 - Lezione 4 Impianti motore turbina a gas: le tecniche di raffreddamento (film cooling, traspirazione, thermal barrier coating) Modulo 3 - Lezione 5 Impianti motore turbina a gas: ciclo ideale e performance Modulo 3 - Lezione 6 Impianti motore turbina a gas: ciclo limite, ciclo reale e performance Modulo 3 - Lezione 7 Impianti motore turbina a gas: rigenerazione termica, interrefrigerazione 4

5 Modulo 3 - Lezione 8 Impianti motore turbina a gas: analisi delle prestazioni, influenza dei rendimenti di espansione e compressione Modulo 3 - Lezione 9 Impianti motore turbina a gas: macchine heavy-duty e aeroderivative, prestazioni al variare dei parametri esterni Modulo 3 - Lezione 10 Impianti motore turbina a gas: perdite interne, perdite nei compressori, combustione e camera di combustione Modulo 4 - Lezione 1 Impianti a ciclo combinato: generalità, il ciclo a recupero triangolare, rendimento di recupero, rendimento del ciclo combinato Modulo 4 - Lezione 2 Impianti a ciclo combinato: ciclo combinato 1 livello di pressione, profilo di temperatura caldaia a reupero, caratteristiche costruttive della caldaia a recupero Modulo 4 - Lezione 3 Impianti a ciclo combinato: ciclo combinato 2 livelli di pressione, ciclo combinato 3 livelli di pressione Modulo 4 - Lezione 4 Impianti a ciclo combinato: rendimenti dei cicli combinati, caratteristiche dei cicli combinati Modulo 5 - Lezione 1 Impianti IGCC: la gassificazione del carbone, tipologia di gassificatori, Modulo 5 - Lezione 2 Impianti IGCC: caratteristiche degli ausiliari, Air Separation Unit, Syngas cooler, sezione di depurazione Modulo 5 - Lezione 3 Impianti IGCC: Acid gas removal, impianto integrato IGCC, flussi di massa, Modulo 6 - Lezione 1 Le celle a combustibile: generalità, la termodinamica delle celle, Modulo 6 - Lezione 2 Le celle a combustibile: curva di polarizzazione, influenza della temperatura e della pressione 5

6 Modulo 6 - Lezione 3 Le celle a combustibile: tipologie di celle a combustibile, caratteristiche e confronto prestazionale Modulo 7 - Lezione 1 La cogenerazione: generalità, decreto legislativo, prestazione degli impianti e indici prestazionali, Modulo 7 - Lezione 2 La cogenerazione: tecnologie per la cogenerazione, piani di regolazione Modulo 7 - Lezione 3 La cogenerazione: scelta della tecnologia, dimensionamento dell impianto, analisi delle prestazioni. 6