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: daniele.cocco@unica.it

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)

AM

BIE

NTA

LI

CH

IMIC

I

ELET

TRIC

I

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.

10

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.

4

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.

6

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.

4

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.

10

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.

10

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