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Introduzione: definizione di Sistemi Energetici e Macchine. Panorama energetico globale: soddisfacimento dei bisogni energetici e fonti di energia.
Richiami di termodinamica: I e II Principio della termodinamica. Modelli termodinamici dei fluidi: gas ideali e perfetti, liquidi ideali e perfetti, fluidi reali e bifase.
Bilanci di massa ed energia: Equazioni di bilancio della massa e dell’energia in forma termica e meccanica. Equazione di bilancio dell’energia in un sistema di riferimento relativo.
Descrizione e classificazione delle macchine: Classificazione delle macchine. Architettura degli stadi di turbomacchine. Schemi di flusso nelle turbomacchine: superfici meridiana e interpalare. Coordinate nelle schiere di turbomacchine.
Bilancio del momento angolare per turbomacchine: Bilancio del momento della quantità di moto per turbomacchine: prima formulazione dell'equazione di Eulero. Triangoli di velocità, sistemi di riferimento, convenzioni di segno per componenti di velocità e angoli cinematici. Seconda formulazione dell’equazione di Eulero: geometria delle schiere per stadi di macchine motrici e operatrici.
Idraulica e impianti di pompaggio: Applicazione equazioni di bilancio energia e energia meccanica a macchine, scambiatori di calore, valvole. Idraulica: moto nei condotti, impianti idraulici di sollevamento, condotti in parallelo.
Teoria della similitudine: Similitudine e teorema di Buckingham applicati alle macchine idrauliche. Scelta e classificazione delle macchine. Grandezze specifiche (ws, Ds) e diagrammi statistici (Cordier, Baljé) per macchine idrauliche.
Turbo-pompe centrifughe: Architettura e caratteristiche. Elementi di aerodinamica dei profili. Curve caratteristiche dimensionali e adimensionali di prevalenza e rendimento. Deduzione delle curve per macchine geometricamente simili. Accoppiamento macchina-impianto, pompe in serie e in parallelo. Stabilità di funzionamento. Cavitazione: fenomenologia, NPSH e altezza massima di aspirazione.
Altre pompe e ventilatori: Pompe a flusso misto, pompe assiali, pompe volumetriche. Ventilatori.
Impianti idroelettrici e turbine idrauliche: Salto motore e classificazione turbine idrauliche. Turbina Pelton: architettura, triangoli di velocità e lavoro scambiato. Ottimizzazione e regolazione. Turbine a reazione: architettura turbine Francis, Kaplan e a bulbo. Recupero dell'energia cinetica allo scarico: diffusore e perdite. Cavitazione, Lavoro scambiato, ottimizzazione e regolazione.
Introduzione alle macchine termiche: trasformazioni termodinamiche di compressione ed espansione. Modellazione con trasformazioni isoentropiche e reali. Trasformazioni politropiche, recupero e contro-recupero. Rendimenti isoentropico e politropico. Trasformazioni reali in stadi di turbomacchine. Macchine multistadio.
Elementi di gasdinamica: grandezze totali e statiche, velocità del suono e numero di Mach. Regimi di moto (incomprimibile/subsonico/transonico/supersonico). Parametrizzazione in Mach. Moto in condotti a sezione variabile, ugelli e diffusori. Blocco di portata.
Similitudine in macchine termiche: limiti di validità dell'applicazione della similitudine idraulica alle macchine termiche. Estensione della similitudine a macchine termiche: numero di Mach periferico. Diagrammi statistici (Baljé, Cordier).
Compressori di gas: curve caratteristiche: rapporto di compressione, portata ridotta, Mach periferico. Blocco di portata e pompaggio. Interrefrigerazione. Turbo-compressori centrifughi e assiali. Architettura, caratteristiche, triangoli di velocità, lavoro, rapporto di compressione e rendimenti. Configurazioni multistadio. Compressori volumetrici.
Turbine termiche: turbine assiali e rapporti di espansione. Termodinamica dell'espansione. Rendimenti e perdite per energia cinetica allo scarico. Stadi tipici di turbine termiche assiali: stadi a reazione, ad azione e Curtis e loro applicazione. Parzializzazione e macchine multistadio.
Impianti a vapore d’acqua: cicli a transizione di fase in analogia con il ciclo di Carnot e ciclo Rankine. Rappresentazione sui piani h-s e T-s. Ciclo Rankine a vapor d’acqua. Configurazioni di ciclo: cicli saturi, surriscaldati, rigenerativi, ipercritici. Effetti sulle prestazioni delle temperature massime/minime e delle pressioni di evaporazione/condensazione Calcolo del ciclo termodinamico. Rendimenti di ciclo e impianto. Componenti principali di impianto: generatore di vapore, il condensatore, rigeneratori, degasatore.
Cicli Rankine a fluido organico: effetti dell’impiego di fluidi ad elevata complessità e massa molare in cicli Rankine. Caratteristiche, prestazioni e applicazioni.
Cicli inversi: cicli frigoriferi e pompe di calore. Parametri prestazionali. Il ciclo semplice a compressione di vapore. Cicli a compressione multipla di vapore. Componenti di impianto: scambiatori, valvola di laminazione. Scelta del fluido di lavoro. Cenni sul ciclo ad assorbimento.
Impianti con turbina a gas: il ciclo Joule-Brayton. Ciclo chiuso ideale: caratteristiche e prestazioni. Ciclo aperto ideale e reale: caratteristiche e prestazioni in relazione al ciclo chiuso. Cenni alle tecnologie di raffreddamento delle palettature. Modellazione del combustore. Modifiche al ciclo semplice: rigenerazione, interrefrigerazione, postcombustione. Applicazioni heavy-duty e aeroderivetive.
I cicli combinati: Assetto di un ciclo combinato e componenti. Recupero termico. Caldaie a recupero a singolo o più livelli di pressione. Prestazioni di un ciclo combinato e cenni alla regolazione.
Motori alternativi a combustione interna: Classificazione in base all’alimentazione (2 o 4 tempi) e alla combustione (accensione spontanea o comandata). Schematizzazione del ciclo termodinamico: ideale, limite e indicato. La sovralimentazione. Emissioni: meccanismo di formazione e loro trattamento.
Cogenerazione: aspetti termodinamici e scenario energetico. Indici di prestazione: rendimento di primo principio, IRE e rendimento di produzione elettrica. Tecnologie impiantistiche. Curve di funzionamento per diversi carichi elettrici e termici. La cogenerazione con cicli a vapore, con turbogas e con motori a combustione interna.
La tecnologia delle celle a combustibile: il fenomeno fisico. I componenti di una cella a combustibile. Prestazioni e curva di polarizzazione. Le diverse tecnologie presenti sul mercato: PEFC, DMFC, SOFC.
Il corso ha lo scopo di fornire tutti gli elementi che consentono di valutare le caratteristiche di funzionamento dei componenti di un’ampia gamma di impianti energetici industriali e civili, acquisendone anche gli essenziali criteri di progetto. Le macchine vengono esaminate nella loro individualità e nel contesto degli impianti di conversione energetica di cui sono parte fondamentale. I componenti dei sistemi energetici impiegano fluidi di lavoro che realizzano trasformazioni termodinamiche che permettono lo scambio energetico con l’esterno, sia allo scopo di estrarre energia dal fluido di lavoro, sia allo scopo di somministrare al fluido stesso energia. Tali componenti sono essenzialmente le macchine, destinate allo scambio di lavoro meccanico, gli scambiatori di calore, destinati allo scambio di energia termica e dispositivi di conversione diretta in energia elettrica (quali le celle a combustibile).
Nelle lezioni, sulla base della conoscenza delle proprietà termodinamiche e fisiche dei fluidi e delle equazioni della termodinamica e della fluidodinamica, viene analizzato il funzionamento e vengono forniti i criteri di massima di progetto dei componenti dei sistemi energetici. L’insieme di tali componenti realizza sistemi più complessi detti sistemi energetici, destinati alla conversione di energia tramite cicli termodinamici costituiti da diverse trasformazioni realizzate nei singoli componenti.
Nelle esercitazioni vengono risolti numericamente problemi riguardanti gli argomenti più significativi del programma svolto nelle lezioni. E’ prevista la possibilità di visite a impianti o laboratori, allo scopo di mostrate applicazioni industriali reali. Durante il corso potranno essere organizzati seminari di approfondimento con partecipazione volontaria.
Prerequisiti sono le conoscenze di base di termodinamica e meccanica dei fluidi.
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