Sistemi energetici

 

 

Nel seguito sono illustrati i contenuti delle lezioni a livello universitario di:

Sistemi Energetici.

Durante le lezioni il docente può scegliere di avvalersi dei seguenti testi:

  • "GLI IMPIANTI MOTORI TERMICI" di C. Caputo, ed.ESA;
  • "TURBINE A GAS E CICLI COMBINATI" di G. Lozza, ed. Progetto Leonardo - Esculapio;
  • "L'IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI" di G. Cau - D. Cocco, ed. SGE - Padova;
  • "APPUNTI DALLE LEZIONI ED ESERCITAZIONI" Prof. L. Lenzi, Università degli Studi di Pisa;
  • "APPUNTI DALLE LEZIONI" Prof. S. Cicconardi, Università degli Studi di Cassino;

 

Le lezioni comprendono esercitazioni grafiche tradizionali, dimensionamento di componenti e risoluzione di prove d'esame assegnate negli appelli scritti. 

 

Modulo Argomenti

RICHIAMI DI TERMODINAMICA DELLE MACCHINE

Principi di equivalenza

Irreversibilità

Funzione Entropia

Trasformazioni tecniche dei fluidi e piani di rappresentazione termodinamica

Compressione ed espansione

Cicli ideali, limite e reali

Rendimenti dei cicli termodinamici: effetto di molteplicità delle sorgenti, effetto CLAUSIUS, effetto CARNOT

IMPIANTI MOTORE CON TURBINA A VAPORE

Circuito elementare e ciclo HIRN nei piani termodinamici

Condizioni al condensatore

Condizioni al Generatore di vapore, scelta pressione ottimale

Surriscaldamenti ripetuti, scelta della pressione ottimale di risurriscaldamento

La rigenerazione termica: rigenerazione continua, funzione f(h), rigenerazione con uno spillamento, con due e "z" spillamenti

Schema dell'impianto rigenerato: rigeneratori a miscela e rigeneratori a superficie

Esercitazioni numeriche con uso di tabelle del vapor d'acqua e del diagramma di Mollier

Ricerca delle prestazioni mediante software di simulazione numerica

IMPIANTI MOTORI TURBINA A GAS

Il circuito elementare e ciclo termodinamico di Joule nei piani termodinamici

Rendimento e lavoro del ciclo ideale, rapporto di compressione

Rendimento e lavoro del ciclo reale

Rigenerazione termica

Ciclo con interrefrigerazione e interriscaldamento

Analisi del ciclo limite con espansione refrigerata

Regolazione delle turbine a gas, turbine ad albero unico e turbine a due assi

IMPIANTI A CICLO COMBINATO

Idea dei cicli combinati: pregi e difetti dei cicli IMTV e IMTG

Ciclo a recupero ideale, rendimento di recupero e fattore di recupero

Ciclo a vapore monolivello

Rendimento dei cicli combinati

Profilo di temperatura nella caldaia a recupero, differenze di temperatura nel HRSG (Pitch Point, Approach Point, Subcooling)

Caratteristiche costruttive dell'HRSG: circolazione nell'evaporatore, il degasatore

Assetti dei cicli combinati: due livelli di pressione senza/con RH, tre livelli di pressione senza/con RH

Esercizi e applicazioni numeriche

IMPIANTI DI COGENERAZIONE

Significato della cogenerazione e della trigenerazione

Indice di utilizzazione energetico (EUF), indice di utilizzazione exergetico (ExUF), indice di cogenerazione

Tecnologie disponibili: TG con postcombustione, TG con iniezione di vapore (STIG), turbine a vapore contropressione, TV a condensazione con spillamenti di vapore, impianto combinato TV + TG, motore a combustione interna, celle a combustibile ad alta temperatura

Analisi della regolazione nel piano calore, elettricità

Riconoscimento normativo della cogenerazione, D.L. n°20 del 08/02/2007, PES, agevolazioni riconosciute

Strategie di regolazione: termico a seguire, confronti numerici

IMPIANTI A CICLO INVERSO

Impianti operatori a vapore: introduzione

Finalità, effetto utile, COP per impianto frigorifero, COP per impianto pompa di calore

Influenza dei parametri operativi sul COP

Rappresentazione del ciclo di lavoro nei piani termodinamici (T,s), (p,h)

Impianti con sotto raffreddamento, con surriscaldamento

Esercizi numerici con impiego di tabelle del vapore o del diagramma del frigorista

MOTORI  A COMBUSTIONE INTERNA

Classificazione dei motori alternativi

Struttura di un motore alternativo

Ciclo Diesel, ciclo Otto, Ciclo Sabathè, Cicli a 2T e a 4T

Cicli teorici e cicli indicati: differenze, rendimento e lavoro specifico
Catena dei rendimenti, bilancio energetico

Pressione media indicata e pressione media effettiva

Coefficiente di riempiemento

Alimetazione aria nel motore a quattro e a due tempi

Curve caratteristiche: coppia, potenza e consumo specifico, formula della potenza attraverso la carica

Le prestazioni del motore e fattori che le influenzano

Dispersione ciclica

La sovralimentazione: classificazione dei sistemi, la turbosovalimentazione, sovralimentazione nei motori a 2T e 4T, raffreddamento della carica,

Accopiamento del sovralimentatore al motore, compressore comandato meccanicamente, risposta al transitorio, sovralimentazione ad onde di pressione

Il downsizing

I combustibili: Esigenze dei motori a combustione interna, Aria necessaria alla combustione, potere calorifico, resistenza alla detonazione, accendibilità, volatilità, numero di Ottani e numero di Cetano

La combustione nel motore Otto: il carburatore, alimentazione ad iniezione di combustiobile, iniezione diretta e indiretta, , Sistemi single point e multi point, iniezione diretta di benzina (motori GDI), La formazione della miscela combustibile-aria, combustione normale, propagazione del fronte di fiamma, combustioni anomale e detonazione, anticipo all'accensione, progetto della camera di combustione, legge di rilascio del calore

La combustione nel motore Diesel: Esigenze del motore Diesel e funzioni dell'apparato d'iniezione, pompe di iniezione, gruppi di iniezione a controllo elettronico (common-rail), Spray di combustibile, il ritardo d'accensione, combustione in fase premiscelata e in fase diffusiva, disegno della camera di combustione, legge di rilascio del calore

Formazione e controllo degli inquinanti: Emissioni allo scarico di un motore Otto, controllo delle emissioni in un motore Otto (interventi sui combustibili, azioni sull'alimentazione, interventi sul processo di combustione, convertitori catalitici), il particolato nell'emissione del motore Diesel (processo di formazione, controllo della formazione, interventi a valle del cilindro del Diesel)

Sistemi di raffreddamento e di lubrificazione

Esercizi applicativi anche con utilizzo di tabelle dei costruttori di motori

GENERATORI DI VAPORE

Classificazione ed evoluzione storica

Caldaie a tubi di fumo: tipo scozzese, per locomotiva, a ritorno di fiamma, a fiamma diretta

Caldaie a tubi d'acqua: caldaie a tubi "field", caldaie tipo Babcock & Wilcox

Parametri tecnici caratteristici

Calcolo della combustione e analisi fumi: procedimento di calcolo

Dimensionamento del generatore di vapore

Lo scambio termico nei generatori di vapore, calcolo delle perdite, calcolo del rendimento

Circuito vaporizzante: a circolazione naturale, assistita, e forzata

Percorso aria-fumi, tiraggio naturale

Economizzatore e preriscaldatore d'aria

Circuito del combustibile

Esercizi applicativi

SISTEMI IDRAULICI

Classificazione degli impianti idraulici, opere costituenti gli I.I.

Grandezze caratteristiche: salto geotedico, salto motore utile, altezza cinetica, altezza piezometrica, potenza teorica

Perdite e rendimenti, perdite nella condotta, perdite volumetriche, perdite interne alla macchina, perdite meccaniche,rendimento globale

Turbina Pelton: turbine ad azione, dimensionamento e disegno delle pale, dispositivi di alimentazione, ugello Double,, diagrammi caratteristici della Pelton

Turbina Francis: architettura, condizioni allo scarico, necessità del tubo diffusore, caratteristica, regolazione

Turbina a elica e turbina Kaplan: condizioni di flusso, la pala rotorica, andamento delle pressioni, portanza e resistenza, teoria profili sottili, stallo, distacco della vena, profili tipici serie Gottinga, portanza e incidenza, schiere, diagramma di Weinig, portanza e deviazione

IMPIANTI INTEGRATI DI GASSIFICAZIONE DEL CARBONE-CICLO COMBINATO - IGCC

La gassificazione del carbone, reazioni di combustione parziale e di combustione totale, reazione di shift, reazione di metanazione, parametri di influenza

Gassificatori a letto fisso, processo Lurgi

Gassificatori a letto fluido, processi KRW e HTW

Gassificatori a letto trascinato, processi Texaco, Shell

Caratteristiche operative dei gassificatori

Ausiliari d'impianto: ASU, syngas coolers, depuratori AGR, desolforazione, HGCU, Impianti integrati, isola di gassificazione ed isola di potenza, analisi prestazioni

CELLE A COMBUSTIBILE

Generalità e criteri di classificazione

Reazioni di ossido-riduzione, semirezione anodica e catodica

Stack di celle elementari

Grandezze caratteristiche, legge di Fick, primo principio della termodinamica per un processo elettrochimico, potenziale di Nerst, densità di corrente

Perdite ohmiche, perdite di attivazione, perdite per concentrazione, influenza della temperatura, influenza della pressione, espressione del rendimento

Tipologie di celle: ad alta temepratura (AFC, PEMFC, PAFC) e a bassa temperatura (MCFC, SOFC)

Analisi di una Fuel Cell polimerica (PEM), funzionamento e curve di prestazione

Analisi di una cella Alcalina (AFC)

Analisi di una cella ad acido fosforico (PAFC)

Analisi di una cella a carbonati fusi (MCFC), reforming interno

Analisi di una cella a ossidi solidi (SOFC), applicazioni veicolari