Basi teoriche ed applicative dei principali sistemi di conversione dell'energia come turbine a gas, turbine a vapore, impianti combinati e cogenerativi. Cenni ai principali sistemi ad energie rinnovabili e valutazioni economiche. Basi di analisi exergetica e termoeconomica.
Dispense del corso e testi ivi indicati per i vari argomenti
Obiettivi Formativi
Fornire agli allievi ingegneri gestionali triennali le basi teoriche e di calcolo per la risoluzione dei problemi riguardanti i sistemi di conversione dell'energia, dalle turbine a vapore fino a quelle a gas e cicli ORC. Dagli impianti combinati alla cogenerazione con cenni alle energie rinnovabili e agli aspetti di base economici e termoeconomici
dei sistemi energetici
Prerequisiti
Conoscenze relative alle materie di base del primo anno quali fisica e analisi matematica, nonché le basi di termodinamica acquisite nella sezione Fisica Tecnica del Laboratorio di Conversione dell'Energia, di cui il presente corso è parte
Metodi Didattici
Lezioni ed esercitazioni in aula
Modalità di verifica apprendimento
Due Prove scritte con risoluzione di problemi relativi agli argomenti del corso.
Un elaborato finale integrato comprendente le sezioni di elettrotecnica e fisica tecnica
Programma del corso
1) Impianti a ciclo Rankine e Hirn
• Circuito e ciclo termodinamico: cicli Rankine e Hirn, rappresentazione sui vari piani termodinamici
• Possibili fluidi di lavoro: acqua/vapore e fluidi organici (Organic Rankine Cycle, ORC). Differenze fisiche tra i fluidi e caratteristiche operative
• Impianti acqua/vapore: applicazioni
• Impianti ORC: applicazioni
• Espressioni del rendimento e Influenza dei parametri operativi sulle prestazioni: Pressione minima, Pressione massima, Temperatura massima
• Componenti principali degli Impianti a vapore: condensatore, degasatori, caldaia, Espansori
• Differenze tra componenti di impianti a ciclo Hirn acqua/vapore e a fluidi organici ORC
2) Impianti con turbina a gas
• Circuito e ciclo termodinamico base
• Ciclo termodinamico ideale e reale: bilanci e risoluzione
• Caratteristiche dei componenti principali: compressore, camera di combustione, turbina
• Parametri prestazionali: rendimento e potenza, curve caratteristiche
• Possibili modifiche del ciclo termodinamico base: rigenerazione, interrefrigerazione, iniezione d’acqua
• Le microturbine a gas
3) Motori a combustione interna
• Classificazione
• Parametri geometrici
• Ciclo ideale accensione comandata e spontanea a quattro tempi
• Ciclo reale e prestazioni
• Parametri caratteristici
4) Impianti a ciclo combinato • Concetti base: configurazione e cicli termodinamici
• Prestazioni e parametri fondamentali di cicli combinati: Rendimento e potenza. Dipendenza dai parametri dei due cicli.
• Il ruolo della caldaia a recupero: caratteristiche e rendimento, bilancio termico.
5) La cogenerazione di energia elettrica e termica
• Principio e vantaggi della cogenerazione
• Tipologie di impianti: soluzioni con impianti a vapore, turbine a gas e motori a combustione interna.
• Aspetti legislativi e valutazione delle prestazioni. Cenni alla regolazione dei carichi (analisi dinamica).
• Microcogenerazione: soluzioni per la produzione di energia elettrica e termica distribuita di piccola taglia (microturbine a gas, cicli ORC). Utilizzo di calore a bassa temperatura (cicli ORC).
• Analisi economica di impianti cogenerativi al servizio di attività industriali: aspetti relativi alla valutazione dei carichi e alla loro variazione oraria e stagionale
6) Analisi energetica ed economica di impianti ad energie rinnovabili
• Il concetto di energie rinnovabili: Fonti e caratteristiche
• Discontinuità delle fonti energetiche rinnovabili: producibilità e ore annue equivalenti
• Le principali tecnologie per lo sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili: caratteristiche e costi
• Esempi di analisi economiche e dinamiche di impianti a fonti rinnovabili
• Possibili integrazioni di fonti rinnovabili in processi industriali
7) Analisi exergetica e termoeconomica • Concetto di Exergia e bilanci exergetici
• Temperatura media entropica
• Equivalenza tra analisi exergetica ed analisi entropica
• Distruzioni e perdite di Exergia di sistemi e componenti, rendimento exergetico
• Esempi applicativi
• Introduzione all’analisi Termoeconomica
• Analisi Termoeconomica: Livello di Componente
• Livello di aggregazione dei componenti
• Casi applicativi di particolare interesse
• Il costo delle perdite e distruzioni di exergia
• Fattore exergoeconomico, cenni di ottimizzazione termoeconomica