Corsi di “Macchine e Sistemi Energetici” e di
“Termodinamica e Macchine”
Facoltà di Ingegneria e Architettura
Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei
Materiali, Università degli Studi di Cagliari Mail: [email protected]
Web: http://people.unica.it/danielecocco/
A.A. 2013-2014
Consumo Mondiale di Energia
12717 milioni di tep nel mondo Ovvero circa 1650 kg/anno a persona di media (ma sono circa 3000 in Italia, 7500 negli USA e 140 nel Bangladesh)
Consumo Mondiale di Energia
Tasso medio annuo di crescita 4-5%
Produzione di Energia Elettrica
La Conversione dell’Energia Fonti Primarie Fonti Secondarie
Sole (radiante)
Vento (cinetica)
Acqua (potenziale)
Combustibili (chimica)
Uranio (nucleare)
Energia meccanica
Energia termica
Energia elettrica
Generatore
Fotovoltaico
Fuel cell
Turbina eolica
Combustore
Reattore nucleare
Pannello solare
Turbina idraulica
Ciclo termodinamico
Impianti Eolici
Impianti Idroelettrici
H0
Sezione di presa (obacino di monte)
Sezione di scarico(o bacino di valle)Centrale
Condottaforzata
Canale a pelolibero
Vasca dicarico
Pozzopiezometrico
1
2A S
Impianti Solari
Impianti a Vapore
generatore di vapore Combustibile
(EC=100%)
aria (comburente)
~ turbina a vapore
condensatore
circuito acqua di alimento
Fumi (EF=10%)
vapore
vapore
Calore (ER=50%)
Energia elettrica
(EE=40%)
acqua
acqua
Impianti a Vapore
Impianti di Turbina a Gas
aria Fumi EF=65%
Energia elettrica EE=35%
~ C T
CC
Combustibile EC=100%
Impianti di Turbina a Gas
Impianti Combinati Gas/Vapore
Combustibile EC=100%
Aria
fumi ~ Ciclo
a vapore
vapore
Energia elettrica ETV=20%
~ Turbina
a gas Generatore
di vapore
Energia elettrica ETG=35%
Fumi EF=10%
Calore ER=35%
Gli argomenti del corso
I. Termodinamica Applicata (30 ore, 3 Crediti)
II. Macchine a Fluido (30 ore, 3 Crediti)
III. Sistemi Energetici (30 ore, 3 Crediti)
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TRIC
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I. Termodinamica Applicata
Argomenti del corso Ore PARTE I – Termodinamica Applicata 30 (3 CF)
Primo Principio della Termodinamica. Sistema termodinamico e proprietà. Le diverse forme di energia. Primo principio per sistemi chiusi. Energia interna ed entalpia. Calori specifici. Conservazione della massa. Primo principio per sistemi aperti.
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Sostanze pure e miscele di gas. Piani TS e HS e loro proprietà. Diagrammi di fase PT, PV e PVT. Equazione di Clapeyron. Titolo del vapore, proprietà termodinamiche in equilibrio bifase liquido-vapore. L’acqua, diagramma TS e HS (di Mollier) e tabelle termodinamiche dell’acqua. Composizione massica, molare volumetrica delle miscele di gas. Leggi di Dalton e di Amagat. Proprietà volumetriche e termodinamiche delle miscele di gas ideali.
8
Cicli e secondo principio della Termodinamica. Cicli termodinamici. Definizione di rendimento, Ciclo di Carnot, Otto, Rankine, Stirling, Brayton. Teorema di Carnot e definizione della temperatura assoluta. Secondo principio della termodinamica. Reversibilità e irreversibilità. Formulazioni di Kelvin e di Clausius. Diseguaglianza di Clausius e definizione dell’entropia.
8
Fondamenti di Trasmissione del calore. Conduzione, legge di Fourier, conducibilità termica. Convezione, legge di Newton, convezione naturale e forzata. Coefficiente di convezione, resistenza termica coefficiente globale di trasmissione del calore. Irraggiamento, legge di Stefan-Boltzman.
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I. Termodinamica Applicata
È possibile sapere quanti kg di gas (azoto, ossigeno, metano, etc.) sono
contenuti in un serbatoio misurandone solo pressione e temperatura?
I. Termodinamica Applicata
Quanto gasolio consuma una caldaia che produce 100 litri/giorno di acqua
calda sanitaria a 50 °C?
II. Macchine a Fluido
PARTE II – Macchine a Fluido 30 (3 CF)
Prestazioni delle macchine a fluido. Classificazione delle macchine a fluido. Le trasformazioni di compressione e di espansione: lavori e rendimenti. Problemi di progetto e di verifica.
8
Principi di funzionamento delle macchine a fluido. Il concetto di stadio di una turbomacchina: lo statore ed il rotore. L’equazione di Eulero ed i triangoli di velocità. Ugelli e diffusori: grandezze di ristagno, forma dei condotti e rendimenti. Il flusso nei condotti rotorici: grado di reazione, forma delle palettature e rendimenti.
8
Macchine motrici. Classificazione e prestazioni. Turbine ad azione e turbine a reazione. Caratteristiche costruttive delle turbine a vapore e delle turbine a gas. Cenni alle turbine idrauliche ed alle turbine eoliche.
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Macchine operatrici. Macchine dinamiche: pompe, compressori e ventilatori. Prestazioni e principali caratteristiche costruttive. Problemi di scelta della macchina operatrice in relazione al circuito. Macchine operatrici in serie e in parallelo. Avviamento e cavitazione delle pompe. Cenni alle macchine operatrici volumetriche alternative e rotative.
8
II. Macchine a Fluido
Quale pompa si deve scegliere per far circolare una portata di 20 l/minuto di
acqua in un impianto solare?
II. Macchine a Fluido
Come si può verificare in sede di collaudo il rendimento di un
compressore?
III. Sistemi Energetici
PARTE III – Sistemi Energetici 30 (3 CF)
Gli impianti motori termici. Rendimento globale e consumo specifico di un impianto motore termico. Fattore di utilizzazione e costo di produzione dell’energia elettrica. Cenni agli impianti idroelettrici.
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Impianti a vapore. Ciclo di riferimento, bilancio energetico e rendimento. Influenza dei parametri operativi sulle prestazioni di un ciclo a vapore. Surriscaldamenti ripetuti e rigenerazione termica. Schemi di impianto. I principali componenti di impianto: generatore di vapore, condensatore, pompe, degasatore e rigeneratori. Cenni alle emissioni inquinanti.
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Turbine a gas. Ciclo di riferimento, bilancio energetico e rendimento. Condizioni di massimo lavoro utile e di massimo rendimento. Turbine a gas rigenerate, con compressione interrefrigerata e con ricombustione. Tecnologie correnti delle microturbine a gas e delle turbine a gas per uso industriale. Cenni alle emissioni inquinanti.
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Impianti combinati. Gli impianti a ciclo combinato gas/vapore: schema d’impianto e prestazioni. Il bilancio energetico al generatore di vapore a recupero. 4
Impianti di cogenerazione. La produzione combinata di energia elettrica e termica. Configurazioni impiantistiche e prestazioni (rendimenti e risparmio di energia primaria). 2
III. Sistemi Energetici
Come si valuta il costo di produzione dell’energia di una centrale
termoelettrica?
III. Sistemi Energetici
Quanto combustibile si può risparmiare installando in azienda un impianto di
cogenerazione?
Yunus A. Cengel,
“Termodinamica e Trasmissione del Calore”, McGraw-Hill
Libri Italia
Renato Della Volpe,
“Macchine”, Liguori Editore
Renato Della Volpe,
“Esercizi di Macchine”,
Liguori Editore
Carlo Carcasci e Bruno Facchini, “Esercitazioni di
Sistemi Energetici”,
Società Editrice Esculapio
Giorgio Cornetti,
“Macchine idrauliche” e “Macchine termiche”, Edizioni il Capitello