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Obiettivi e contenuti del corso
Dopo aver introdotto la situazione energetica globale e le maggiori sfide odierne nel settore energetico, si presentano le fonti di energia primaria rinnovabile e non rinnovabile in termini di riserve, disponibilità, fabbisogni e previsioni. Si presenta poi la conversione di energia primaria in energia elettrica e calore. A tal scopo vengono forniti i fondamenti della ingegneria termodinamica e le conoscenze di base della trasmissione del calore per lo studio dei processi di conversione-trasferimento dell’energia e per la comprensione dei limiti fisici cui questi processi sono soggetti. In particolare, verrà sviluppata la comprensione del significato fisico di grandezze come energia, energia disponibile, entropia, exergia, dei diversi tipi di processi e modalità di interazione fra sistemi, e dei meccanismi di scambio termico.
Descrizione degli argomenti trattati
1. Principi della termodinamica. Sistemi, stati e proprietà. Interazioni, pareti e processi; processi meccanici, spontanei, reversibili. Primo principio della termodinamica: energia interna. Secondo principio della termodinamica: energia disponibile ed entropia. Non decrescita dell’entropia; bilancio di entropia. Condizioni per l’equilibrio: temperatura, pressione, potenziale di massa. Diagramma Energia-Entropia e disponibilità adiabatica (cenni). Lavoro e calore nei processi quasi statici.
2. Introduzione al calcolo delle proprietà delle sostanze. Gradi termodinamici di libertà; potenziali termodinamici; relazioni di Maxwell; coefficienti termodinamici e loro relazioni notevoli; equazioni di stato. Miscele di gas, pressione parziale. Sistemi eterogenei: fasi, regola delle fasi, transizioni di fase; diagrammi di stato.
3. Termodinamica dei processi energetici. Introduzione ai sistemi fluenti: volume di controllo, equazioni globali di bilancio di massa, energia ed entropia; lavoro tecnico.
Analisi energetica di macchine e componenti di impianto: turbine, compressori, pompe, miscelatori e scambiatori di calore, valvole; ugelli e diffusori. Cicli termodinamici: cicli standard ad aria diretti (Otto, Diesel, Joule-Brayton), cicli diretti a vapore (Rankine), cicli inversi (Brayton, Stirling, a compressione di vapore). Cogenerazione: Tecnologie impiantistiche. Indici di merito. Curve di funzionamento ai vari carichi elettrici e termici. Cenno all’accoppiamento con cicli frigoriferi: trigenerazione.
Analisi exergetica: definizione del bilancio exergetico e analisi critica delle grandezze exergetiche che in esso compaiono.
4. Termocinetica dei processi energetici. Meccanismi di trasporto dell’energia. Similitudine e analisi dimensionale. Conduzione. Legge di Fourier e conduttività termica, equazione della diffusione termica. Conduzione in regime stazionario: geometria monodimensionale piana, cilindrica e sferica; resistenze termiche e reti elettriche equivalenti; alette: equazione della conduzione, efficienza ed efficacia. Conduzione in regime variabile: approssimazione a parametri concentrati, il numero di Biot.
Convezione. Caratteristiche. Convezione forzata all’esterno di superfici e all’interno di condotti: fenomenologia, numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt, Prandtl, e uso di correlazioni adimensionali. Temperatura di miscelamento adiabatico e suo andamento lungo un condotto; differenza media logaritmica di temperatura. Introduzione alla convezione naturale, numeri adimensionali di Grashof e Rayleigh. Scambiatori di calore: classificazione, andamento delle temperature negli scambiatori equicorrente e controcorrente; potenza massima ed efficienza.
Irraggiamento. Radiazione termica: natura, intensità di radiazione e grandezze caratteristiche monocromatiche e totali. Corpo nero: proprietà e leggi caratteristiche, emissione di banda. Superfici reali: emissività, superfici diffuse, grigie e selettive; coefficienti di riflessione, assorbimento e trasmissione, superfici semitrasparenti (cenni all’effetto serra); relazione fra emissione e assorbimento (teorema di Kirchhoff), radiatori. Scambio termico radiativo tra superfici grigie e diffuse: fattore di vista e sue proprietà,calcolo della potenza termica netta irraggiata tra due superfici grigie.
5. Energia e sviluppo. Analisi dei fabbisogni energetici per l'umanità. Fonti di energia: possibili classificazioni. Combustibili fossili: solidi, liquidi e gassosi (energia chimica), energia nucleare, energia idraulica, altre energie rinnovabili (solare, geotermica, eolica, delle maree ecc.). Riserve accertate e presunte e risorse. Previsione dei fabbisogni energetici per l'umanità a medio e lungo termine. La tematica dell’effetto serra e del riscaldamento globale. La situazione energetica dell'Italia: evoluzione storica, stato attuale, prospettive.
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