Università degli Studi di Pisa
Dipartimento di Energetica
Tel.: 050/569615
Fax: 050/830140
e-mail: r.lensi@ing.unipi.it
WEB: http://www.docenti.ing.unipi.it/~d4590
Le finalità del corso sono:
· fornire agli allievi competenze sulla disponibilità, la conversione e la gestione dell'energia, immediatamente spendibili in ogni attività professionale;
· preparare gli allievi ad affrontare i problemi di generazione, trasmissione e conversione dell'energia termica, mediante sistemi semplici o cogenerativi, nell'intento di conseguire significativi risparmi di energia primaria;
· fornire agli allievi le necessarie conoscenze sui diversi sistemi di conversione dell'energia, termici e idraulici, motori e operatori, per la gestione dell'energia meccanica in ambito industriale e civile.
Obiettivo del corso è portare lo studente a:
· conoscere gli aspetti descrittivi ed i fondamenti teorici dei principali sistemi per la conversione dell'energia, delle macchine a fluido e delle apparecchiature che costituiscono tali sistemi;
· saper correttamente scegliere e gestire il sistema di conversione dell'energia più adatto a soddisfare le specifiche richieste degli utilizzatori, per il migliore sfruttamento delle risorse energetiche disponibili e per il contenimento dell'impatto sull'ambiente;
· saper calcolare le prestazioni energetiche ed exergetiche, nonché i relativi coefficienti di prestazione, dei sistemi energetici, termici e idraulici, motori e operatori, e dei loro singoli componenti principali.
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Pre requisiti (in ingresso) |
Insegnamenti fornitori |
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Saper effettuare studi di funzione, saper differenziare, derivare ed integrare funzioni di più variabili, saper risolvere semplici equazioni differenziali ordinarie. |
Matematica |
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Conoscenze dei fondamenti della meccanica. Princìpi della dinamica. Lavoro ed energia, conservazione dell'energia meccanica. Meccanica dei fluidi. |
Fisica Generale |
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Conoscenze di termologia. Termometria e calorimetria. Proprietà termiche dei fluidi. |
Fisica Generale |
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Competenze minime (in uscita) |
Insegnamenti fruitori |
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Saper classificare le fonti di energia ed i sistemi di conversione. |
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Saper inquadrare ciascun sistema per la conversione dell'energia sotto il profilo dello sviluppo storico e del conseguente andamento delle prestazioni energetiche. |
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Saper calcolare la massima energia meccanica ottenibile da ciascuna forma di energia disponibile. |
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Saper descrivere e rappresentare graficamente ciascun sistema energetico, macchina a fluido e apparecchiatura per la conversione dell'energia. |
Impianti Industriali |
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Saper individuare e risolvere i principali problemi di gestione di ciascun sistema energetico, macchina a fluido e apparecchiatura per la conversione dell'energia. |
Impianti Industriali |
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Saper scegliere il più opportuno sistema energetico in funzione della particolare situazione contingente. |
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Saper calcolare le prestazioni dei sistemi energetici, nonché dei loro singoli componenti. |
La metodologia didattica impiegata consiste in:
· lezioni in aula con uso di lavagna luminosa;
· esercitazioni numeriche in aula impostate e guidate dal docente;
· autonoma elaborazione scritta da parte degli studenti delle esemplificazioni ed esercitazioni numeriche e grafiche.
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Argomento |
Lezioni A |
Esercit. B |
Totale Ore di Carico Didattico |
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Conversione dell'Energia e Macchine a Fluido. Introduzione. Sistemi energetici. Classificazione delle macchine a fluido. Unità di misura. Analisi dimensionale. Il problema energetico. Cenni storici. Fonti di energia e sistemi di conversione. |
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2 |
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Energetica Applicata. Fondamenti di termodinamica applicata alle macchine. Trasformazioni reversibili e trasformazioni irreversibili. Rappresentazioni grafiche nei vari piani termodinamici. Processi termodinamici, circuiti del fluido e cicli termodinamici, nelle macchine. Cicli diretti e cicli inversi. Ciclo ideale, limite e reale. Coefficienti di prestazione. |
6 |
2 |
24 |
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Energia ed Exergia. Bilanci di massa e di energia. Massimo rendimento di un motore termico. Cicli termodinamici di massimo rendimento (Carnot, Ericsson, Stirling). Ciclo di Carnot inverso. Calcolo dei coefficienti di prestazione ideali. Differenti tipi di irreversibilità. Lavoro di ripristino. Relazione di Gouy-Stodola. Classificazione e caratteristiche delle diverse forme di energia. Il concetto di exergia. Calcolo dell'exergia. Bilancio di exergia (principio di degradazione dell'energia). Il rendimento exergetico. Determinazione delle irreversibilità. Rappresentazioni grafiche. Il piano termodinamico: exergia fisica - entalpia. |
9 |
3 |
36 |
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Sistemi Motori a Vapore. Vapori saturi. Diagrammi termodinamici. Determinazione dello stato fisico. Titolo del vapore. Tabelle e diagramma di Mollier. Cicli termodinamici Rankine e Hirn. Ciclo limite a vapore nei diversi piani termodinamici. Calcolo del rendimento limite. Centrali termoelettriche. Motrici volumetriche e dinamiche. Rigenerazione termica e spillamenti di vapore. Cicli termodinamici reali. Rendimento totale e consumo specifico di calore. Consumo specifico di vapore. Turbomacchine motrici. Cenni sulla fluidodinamica delle turbomacchine. Coefficienti di prestazione delle turbine. |
7 |
3 |
30 |
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Generatori di Vapore. Cenni sulla combustione. Irreversibilità di combustione. Elementi di trasmissione del calore. Scambio termico nelle caldaie. L’irraggiamento e la temperatura di combustione fittizia ed effettiva. Analisi energetica ed exergetica. Rendimento del generatore di vapore. Tiraggio naturale e forzato. Dimensionamento del camino e inquinamento. Calcolo della superficie della caldaia. |
7 |
3 |
30 |
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Sistemi Motori a Gas. Classificazione. Ciclo Lenoir. Calcolo del rendimento ideale. Motori volumetrici a combustione interna. Cicli termodinamici Otto, Diesel e Sabathè. Calcolo del rendimento ideale. Diagrammi indicati. Motori alternativi ad accensione comandata e ad accensione spontanea (per compressione). Fattori del rendimento. Fattori della potenza. Curve caratteristiche. Rendimento totale e consumo specifico di combustibile. Motori dinamici. Sistemi a combustione esterna (a circuito chiuso) e sistemi a combustione interna (a circuito aperto). Cicli termodinamici Joule (Brayton) e Holzwarth. Calcolo del rendimento ideale. Turbogas. Cicli termodinamici reali. Rigenerazione termica. Prestazioni energetiche. Rendimento totale e consumo specifico di calore. |
7 |
3 |
30 |
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Sistemi Combinati. Classificazione. Sistemi combinati gas/vapore. Schemi d'impianto. Caratteristiche di funzionamento e cenni sulle prestazioni energetiche. Generatori di vapore a recupero di calore. Rendimento totale e rapporto tra le potenze. Il parametro di integrazione termica. Il ripotenziamento delle centrali termoelettriche. Principali tipi di ripotenziamento. Sistemi cogenerativi. La produzione combinata di lavoro e di calore utile. Schemi d'impianto. Elementi di analisi energetica ed exergetica. Normativa italiana e teleriscaldamento. Gli indici di prestazione. Il risparmio di energia primaria. |
7 |
3 |
30 |
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Sistemi Termici Operatori. Classificazione. Compressori. Coefficienti di prestazione. Compressori volumetrici (alternativi e rotanti). Compressione in più stadi. Compressori dinamici (radiali e assiali). Cenni sulla fluidodinamica dei turbocompressori. Curve caratteristiche dei compressori centrifughi. Impianti a ciclo inverso. Schemi d'impianto. Cicli termodinamici inversi. Calcolo dei coefficienti di prestazione ideali. Cenni sui fluidi operatori. Frigoriferi. Pompe di calore. Prestazioni energetiche ed exergetiche. Analisi delle irreversibilità. Coefficienti di prestazione reali. |
7 |
3 |
30 |
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Sistemi Idraulici. Classificazione. Impianti idraulici motori. Descrizione generale. Schemi d'impianto. L'equazione dell'energia. Macchine idrauliche motrici. Cenni sulla teoria della similitudine e numero di giri specifico. Turbine idrauliche ad azione e a reazione. Turbine Pelton. Potenza e rendimento. Condizioni di massimo rendimento. Macchine idrauliche operatici. Pompe volumetriche (alternative e rotanti). Pompe dinamiche (radiali e assiali). Curve caratteristiche delle pompe centrifughe. Il fenomeno della cavitazione. Altezza di aspirazione, NPSH (Net Positive Suction Head). |
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2 |
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Totale |
60 |
24 |
252 |
6. Materiale didattico
I testi base consigliati per il corso, disponibili in rete (homepage del docente) o presso la biblioteca di Facoltà, sono:
· Dispense preparate dal docente.
· Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, 1998.
· Acton, Caputo, "Introduzione allo studio delle Macchine", UTET, Torino, 1979.
· Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Krieger, Melbourne (Florida), 1995.
· Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, 1992.
Ulteriori approfondimenti sono consigliati sui seguenti testi, disponibili presso la biblioteca di Facoltà:
· Mastrullo, Mazzei, Vanoli, "Termodinamica per ingegneri - Applicazioni", Liguori, Napoli, 1999.
· Cavallini, Mattarolo, "Termodinamica Applicata", CLEUP, Padova, 1992.
· Acton, Caputo, "Compressori ed espansori volumetrici", UTET, Torino, 1992.
· Beccari, Acton, "Motori termici volumetrici", UTET, Torino, 1987.
· Acton, "Turbomacchine", UTET, Torino, 1986.
7. Modalità di verifica/esame
L'esame si svolge, di norma, come segue:
a) iscrizione all'esame la mattina stessa dell'appello entro le ore 09:00 presso il Dipartimento di Energetica (Macchine);
b) consegna degli elaborati sulle esemplificazioni ed esercitazioni numeriche e grafiche;
c) prova orale: discussione sugli elaborati, risoluzione di problemi e risposte a domande aperte.
Il voto finale tiene conto sia della preparazione raggiunta dal candidato (sulla base dell'elaborazione scritta e della prova orale), sia della capacità di risolvere i problemi e dell'autonomia di cui il candidato si dimostra capace, sia dell'apporto personale agli elaborati presentati e della capacità di giustificare le scelte operate, sia della capacità di esprimersi in un linguaggio tecnico appropriato.