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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: [email protected] oppure [email protected]
Web: http://people.unica.it/danielecocco/
A.A. 2012-2013
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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)
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Consumo Mondiale di Energia
Tasso medio annuo di Tasso medio annuo di
crescita 4crescita 4--5%5%
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Produzione di Energia Elettrica
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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
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Impianti Eolici
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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
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Impianti Solari
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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
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Impianti a Vapore
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Impianti di Turbina a Gas
aria Fumi
EF=65%
Energia
elettrica
EE=35%
~ C T
CC
Combustibile
EC=100%
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Impianti di Turbina a Gas
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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%
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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
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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
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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?
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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?
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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
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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?
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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?
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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
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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?
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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?
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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