Corsi di “Macchine e

Sistemi Energetici” e di

“Termodinamica e

Macchine a Fluido”

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 oppure cocco@dimeca.unica.it

Web: http://people.unica.it/danielecocco/

A.A. 2012-2013

Consumo Mondiale di Energia

12717 milioni di 12717 milioni di teptep nel mondonel mondo

Ovvero circa Ovvero circa 1650 kg/anno a persona 1650 kg/anno a persona di di

media (ma sono circa 3000 in Italia, 7500 media (ma sono circa 3000 in Italia, 7500

negli USA e 140 nel Bangladesh)negli USA e 140 nel Bangladesh)

Consumo Mondiale di Energia

Tasso medio annuo di Tasso medio annuo di

crescita 4crescita 4--5%5%

Produzione di Energia Elettrica

La Conversione dell’Energia

Fonti Primarie Fonti Secondarie

Sole Sole

(radiante)

Vento Vento

(cinetica)

Acqua

Acqua

(potenziale)

Combustibili Combustibili

(chimica)

Uranio Uranio

(nucleare)

Energia

meccanica

Energia

meccanica

Energia

termica

Energia

termica

Energia

elettrica

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.I. Termodinamica Applicata Termodinamica Applicata

(30 ore, 3 Crediti)(30 ore, 3 Crediti)

II.II. Macchine a Fluido Macchine a Fluido

(30 ore, 3 Crediti)(30 ore, 3 Crediti)

III.III. Sistemi Energetici Sistemi Energetici

(30 ore, 3 Crediti)(30 ore, 3 Crediti)

AM

BIE

NT

AL

I

CH

IMIC

I

EL

ET

TR

ICI

I. Termodinamica I. Termodinamica ApplicataApplicata

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 I. Termodinamica ApplicataApplicata

È possibile sapere quanti kg di gas È possibile sapere quanti kg di gas

(azoto, ossigeno, metano, etc.) sono (azoto, ossigeno, metano, etc.) sono

contenuti in un serbatoio misurandone contenuti in un serbatoio misurandone

solo pressione e temperatura?solo pressione e temperatura?

I. Termodinamica I. Termodinamica ApplicataApplicata

Quanto gasolio consuma una caldaia Quanto gasolio consuma una caldaia

che produce 100 litri/giorno di acqua che produce 100 litri/giorno di acqua

calda sanitaria a 50 calda sanitaria a 50 °°C?C?

II. Macchine II. Macchine a Fluidoa 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 II. Macchine a Fluidoa Fluido

Quale pompa si deve scegliere per far Quale pompa si deve scegliere per far

circolare una portata di 20 l/minuto di circolare una portata di 20 l/minuto di

acqua in un impianto solare?acqua in un impianto solare?

II. Macchine II. Macchine a Fluidoa Fluido

Come si può verificare in sede di Come si può verificare in sede di

collaudo il rendimento di un collaudo il rendimento di un

compressore?compressore?

III. Sistemi III. Sistemi EnergeticiEnergetici

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 III. Sistemi EnergeticiEnergetici

Come si valuta il costo di produzione Come si valuta il costo di produzione

dell’energia di una centrale dell’energia di una centrale

termoelettrica?termoelettrica?

III. Sistemi III. Sistemi EnergeticiEnergetici

Quanto combustibile si può risparmiare Quanto combustibile si può risparmiare

installando in azienda un impianto di installando in azienda un impianto di

cogenerazione?cogenerazione?

Yunus A.

Cengel,

“Termodinamica

e Trasmissione

del Calore”,

McGraw-Hill

Libri Italia

Renato Della

Volpe,

“Macchine”, e

“Esercizi di

Macchine”,

Liguori Editore

Giorgio

Cornetti,

“Macchine

idrauliche” e

“Macchine

termiche”,

Edizioni il

Capitello