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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 097575 - TERMODINAMICA E PROCESSI ENERGETICI
Docente Salioni Alberto
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (365) INGEGNERIA MATEMATICA*AZZZZ097575 - TERMODINAMICA E PROCESSI ENERGETICI
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - BV (478) NUCLEAR ENGINEERING - INGEGNERIA NUCLEARE*AZZZZ088805 - FISICA TECNICA
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (487) MATHEMATICAL ENGINEERING - INGEGNERIA MATEMATICA*AZZZZ097575 - TERMODINAMICA E PROCESSI ENERGETICI

Obiettivi dell'insegnamento

Gli obiettivi principali sono quelli di impartire nozioni basilari sulla ingegneria termodinamica e sulla 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. Un altro obiettivo fondamentale è quello di presentare la situazione energetica globale e le maggiori sfide odierne nel settore energetico in termini di riserve, disponibilità, fabbisogni, previsioni e soluzioni tecnologiche ed impiantistiche. L’insegnamento non adotta modalità di didattica innovativa.


Risultati di apprendimento attesi

Descrittori di Dublino

Expected learning outcomes

1. Conoscenza e comprensione

  • Comprendere i bilanci di massa, energia ed entropia per i sistemi termodinamici semplici
  • Conoscere gli strumenti teorici ed empirici necessari per applicare i bilanci di massa, energia ed entropia a sistemi contenenti gas perfetti, fluidi bifase
  • Conoscere i meccanismi di trasmissione del calore
  • Orientarsi nel panorama energetico nazionale ed internazionale.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione

  • Applicare le conoscenze termodinamiche di base a schemi di impianti semplificati per valutare le prestazioni energetiche attese
  • Dimensionare singoli dispositivi o semplici impianti energetici
  • Applicare strumenti matematici formali e utilizzare tabelle empiriche e relazioni sperimentali

3. Autonomia di giudizio

  • Valutare la correttezza delle operazioni e dei calcoli svolti
  • Individuare le strutture dati e le procedure più adatte per risolvere gli specifici problemi proposti
  • Confrontare i benefici e gli svantaggi di diversi approcci energetici

5. Capacità di apprendimento

  • Essere in grado di utilizzare le conoscenze e competenze apprese per affrontare in maniera metodologica problemi complessi di tipo ingegneristico e impiantistico

Argomenti trattati
  • 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.
  • 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.
  • 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.

  • 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 Kirchoff), 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.

  • 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. Soluzioni tecnologiche ed impiantistiche.

 


Prerequisiti

Nozioni di base di fisica e di analisi matematica.


Modalità di valutazione

L’esame prevede una verifica scritta su tutti gli argomenti dell’insegnamento.

Modalità di verifica

Descrizione

 

Risultato di apprendimento perseguito

Prova scritta

Risoluzione di problemi numerici (applicazione di bilanci, identificazione dello stato termodinamico di riferimento)

 

Esercizi di tipo progettuale:

-          dimensionamento di semplici impianti o dispositivi

-          identificazione e valutazione di strumenti matematici o sperimentali alternativi per risolvere un problema dato

1

 

 

 1,2,5

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativayunus a. cengel, termodinamica e trasmissione del calore, Editore: mcGraw Hill, ISBN: 9788838665110

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
60:00
90:00
Esercitazione
40:00
60:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
28/02/2020