Appunti Esame di Stato Ingegnere Industriale

Appunti in preparazione all'esame di stato per l'abilitazione alla professione di ingegnere industriale

Il seguente documento contiene:

• Riassunti completi "Sistemi energetici e macchine a fluido (Vol. 1)";
• Riassunti completi "Sistemi energetici. Complementi (Vol. 2)";
• Riassunti completi "Sistemi energetici. Impatto ambientale (Vol. 3)";
• Risposte ai quesiti delle prove degli anni passati;
• Codice deontologico.

Vendo:

• "Esercitazioni di sistemi energetici" - C. Carcasci, B. Facchini;
• "Macchine idrauliche" - G. Cornetti;
• "Macchine termiche" - G. Cornetti.

Per info scrivere a festi.andrea@gmail.com

Parte 1 - Riassunti

• Riassunti completi "Sistemi energetici e macchine a fluido (Vol. 1)";
• Riassunti completi "Sistemi energetici. Complementi (Vol. 2)";
• Riassunti completi "Sistemi energetici. Impatto ambientale (Vol. 3)".

I riassunti sono stati ordinati secondo logica di appartenenza di argomento. Gli argomenti sono stati totalmente accorpati per permettere una chiara e completa trattazione, anziché mantenere la divisione in diversi libri.

Macchine e sistemi energetici

Macchina operatrice: trasferimento di energia meccanica dalla macchina al fluido (energia interna di compressore pressione) turbina.

Indichiamo con qi la potenza termica introdotta in CC per unità di massa d'aria e si ottiene: grazie all'ipotesi 3 possiamo scrivere le temperature di inizio e fine espansione in questo modo:

Analisi numerica

Analisi numerica di un TG semplice percorso da gas reale. In tutto ci sono 36 incognite in 18 equazioni. Si fissano quindi i seguenti parametri:

Tipologie di gruppi turbogas

• Gruppo turbogas con espansione interscalata o reheat (a secco) - RH;
• Gruppo turbogas con compressione interfrigerata ed espansione interiscaldata (a secco) - ICHR;
• Turbogas con intercooler e recupero - ICRT;
• Turbogas inverso e ciclo bagt (a secco);
• Turbogas a ciclo chiuso (a secco);
• Gruppo turbogas ISTIG = STIG+IC (a umido);
• Gruppo turbogas RWI (a umido);
• Gruppo turbogas CHAT (a umido).

Raffreddamento delle pale impiego aeronautico di un TG e sua messa a terra. Influenza delle condizioni ambiente su TG semplice e gruppi combinati (derating ambientale). Sistema di raffreddamento dell'aria in ingresso al compressore. Sistemi evaporativi tradizionali. Sistemi evaporativi ibridi.

Problemi nel condensatore

Quindi nel condensatore coesistono i seguenti problemi:

Ciclo Rankine e gruppi a vapore

• Ciclo Rankine o a vapore saturo;
• Gruppo a vapore con risurriscaldamento;
• Gruppo a vapore con rigenerazione (1 spillamento);
• Gruppo a vapore con rigenerazione (3 spillamenti);
• Gruppo a vapore con n spillamenti.

Principali irreversibilità nei gruppi a vapore: caldaia segue turbina. Potenziamento dei gruppi a vapore. Tipologie di gruppi ripotenziati.

Tecnologie avanzate e normativa

• Middle pressure repowering;
• Topper;
• La disposizione in serie fra SH e RH è dal punto di vista dello scambio termico una;
• La post combustione.

Principio di funzionamento e bilanci energetici. Ottimizzazione delle pressioni nel bottomer. Gruppi a vapore ultra super critici - USC -> caldaia a recupero -> caldaia ad irraggiamento. Circolazione assistita Tpmax=750°C all'ingresso dell'acqua a causa di una maggiore condensazione del vapore e per limitare il consumo dei ventilatori di estrazione.

Normativa sulla cogenerazione: è stato eliminato LT ed è stato introdotto l'elettricità di cogenerazione: Ee = Ee + Ee ;tot coge non coge. La normativa dice che se n +n >=80% --> Ee =Eee t coge tot.

Ciclo combinato e cogenerazione

Ciclo combinato in assetto cogenerativo. Dal punto di vista delle prestazioni, le grandezze interessanti da considerare sono:

Ciclo frigorifero e ambientale

• Ciclo frigorifero a compressione frazionata;
• Gruppi frigoriferi ad assorbimento;
• Ciclo ad ammoniaca;
• Two shift operation.

Condensazione ad acqua. Ciclo ibrido. Aspetti funzionali e operativi dei sistemi di raffreddamento. Consumo di acqua nelle torri di raffreddamento. Confronto fra i diversi sistemi di condensatori.

Effetti sull'ambiente. Ossidi di azoto. Particolato. Metalli pesanti. Caratteristiche dei processi di combustione. Nella post combustione si sviluppano reazioni di ossidazione e pirosili in competizione.

Elementi funzionali: la velocità del fronte di fiamma e la velocità di consumo dei reagenti devono.

Emissioni inquinanti

Emissioni inquinanti nei TG e loro controllo in sede di combustione. Si può operare anche con O>1 poiché l'accesso di fuel fa calare la T. Per far avvenire una:

• Camera di combustione a ridotto impatto ambientale;
• Lo staging può essere anche radiale, dove i bruciatori sono in parallelo;
• Camera di combustione con combustione catalitica (XONON);
• Ossidazione catalitica del CO;
• Fattori di emissioni di turbine a gas e cicli combinati.

A. qui il carbone entra con pezzatura dell'ordine di 3-4 cm. Preparazione del polverino. Emissioni. A. letto bollente.

Generatori e reattori

• Generatori con gassificazione;
• Generatori a olio combustibile e gas naturale;
• Trattamenti di post combustione;
• Dry SO scrubber;
• Cicloni separatori;
• Combustione con O puro;
• Circa il 50% si ossida;
• Motori ad accensione spontanea - a diesel;
• Reattori ad acqua bollente - boiling water reactor (BWR).

Ovvero è stabile. I reattori si mettono in condizioni di k leggermente superiori a 1 (piccolo eccesso di reattività) in modo che il reattore riesca ad autosostenersi. Si inseriscono anche delle barre contenenti veleni che introducono reattività negativa al sistema.

Sistemi di contenimento

• Reactor vessel: le pareti del vessel del PWR sono più spesse di quelle del BWR a causa;
• Reattori ad acqua pesante - heavy duty water reactor (HWR) --> vedi Candu;
• Evoluzione storica e reattori di nuova generazione;
• Quarta generazione --> da 150MW a 1500MW.

Impatto ambientale dei sistemi nucleari. Produzione da fonte fossile. Produzione da petrolio e carbone.

Impianti geotermici e marini

Impianti geotermici ibridi. Si può scegliere la turbina in modo da massimizzare l'energia prodotta (--> occorre energia dal mare).

Parte 2 - Vecchie prove d'esame

Esame di stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Prima sessione 2013 – Sezione A settore industriale

Seconda prova scritta

La prova consiste nello svolgimento di UNO tra i temi proposti nel seguito:

• IND-01 A2 Aerospaziale: Descrivere il processo mediante il quale il team di un'azienda aeronautica o il singolo progettista effettua l'analisi di avanprogetto (progetto preliminare). Nella descrizione il candidato illustri le metodologie conosciute per effettuare l'avanprogetto. Se ne descrivano i concetti generali e più in dettaglio le sottoparti e a che risultati vertono.
• IND-02 A2 Elettrica-Macchine: Il candidato descriva un possibile azionamento per il controllo di una macchina elettrica impiegata come un generatore all’interno di una turbina eolica. Il candidato illustri e giustifichi il tipo di macchina elettrica che intende utilizzare, descriva i convertitori elettronici che compongono l’azionamento e proponga uno schema di controllo idoneo all’applicazione.
• IND-03 A2 Elettrica-Impianti: Il candidato illustri le principali apparecchiature di manovra e protezione utilizzate nelle reti elettriche di distribuzione.
• IND-04 A2 Energetica-Nucleare: Il candidato discuta le principali tipologie di reattori nucleari, allo stato dell’arte attuale, indicandone le principali caratteristiche e differenze.
• IND-05 A2 Energetica-Energetica: Il candidato illustri e discuta l’andamento tipico della richiesta di potenza da parte dell’utenza elettrica nazionale nell’arco delle 24 ore descrivendo sommariamente i principali sistemi energetici atti a coprire il carico di base e il carico di punta.
• IND-06 A2 Gestionale-Economia Gestionale: L'effetto bullwhip nelle supply chain. Descrivere il fenomeno, indicare le cause e i possibili meccanismi di rimedio.
• IND-07 A2 Gestionale-Impianti: Il candidato discuta i possibili criteri qualitativi e quantitativi utili all’individuazione dell’ubicazione ottimale di un impianto industriale al servizio di una molteplicità di punti di domanda.

Esame di stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Prima sessione 2013 – Sezione A Laurea Magistrale/Specialistica

Prova pratica - Tema n. A4-IND-05 - Ing. Energetica-Energetica

Si consideri un impianto costituito da un Turbogas monoalbero con risurriscaldamento (re-heat) e rigenerazione dei gas esausti. L’impianto lavora in ciclo aperto, aspirando aria dall’ambiente esterno in condizioni ISO. Il compressore è caratterizzato da un rapporto di compressione ed un rendimento isoentropico 0.90. Nelle due camere di combustione viene utilizzato gas naturale con potere calorifico inferiore pari a 47450 kJ/kg che consente di raggiungere la temperatura Tmax= 1450 K (uguale in entrambe le camere) con un rendimento in camera di combustione pari allo 0.995. I gas subiscono una perdita di carico, in ciascuna camera di combustione pari al 5%. I fumi in uscita, caratterizzati da un calore specifico cp,g espandono tramite due turbine con rendimenti isoentropici rispettivamente uguali a 0.87 e 0.89. La prima turbina presenta un rapporto di espansione pari a 1.9. Lo scambiatore di calore a superficie per la rigenerazione presenta una differenza di temperatura all’uscita pari a 50 °C e le perdite di carico sono pari al 4% lato aria e al 5% lato gas combusti.

• Il candidato disegni il layout del sistema ed il diagramma T-s del ciclo termodinamico.
• Ricavi i valori di pressione e temperatura in tutti i punti del ciclo termodinamico, le portate d'aria e di combustibile ed il rendimento termodinamico e totale dell’impianto, sapendo che la potenza complessiva è pari a 150 MW.
• Effettui un dimensionamento di massima dello scambiatore rigenerativo.
• Valuti la possibilità di introdurre un ulteriore scambiatore di calore, a valle di quello rigenerativo, per effettuare la cogenerazione. Ipotizzando una temperatura di mandata e ritorno dall’utenza termica pari rispettivamente a 70 °C e 40°C.

Esami di stato 2014

Esami di stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere - I sessione 2014 - III prova (prova di progettazione) – Sez. A - Tema di Energetica – (sistemi energetici)

Si consideri un’utenza caratterizzata dalle curve giornaliere di richiesta elettrica, termica e frigorifera così come rappresentate in Figura 1. Si assumano, per semplicità, le durate del periodo invernale, estivo e di mezza stagione come riportato nella tabella che segue:

L’utenza in oggetto provvede al soddisfacimento dei fabbisogni energetici mediante:

• L’acquisto di energia elettrica dalla rete di distribuzione nazionale;
• Una caldaia a gas naturale di potenza termica di picco pari a 300 kW e rendimento del 90%;
• Un sistema frigorifero a compressione di potenza frigorifera di picco pari a 300 kW ed EER pari a 4.

Per i sistemi suddetti si assuma per semplicità costante l’efficienza con la variazione del carico.

1. Relativamente al caso presentato, per un intero anno di funzionamento, il candidato calcoli:
   • L’energia elettrica, termica, e frigorifera complessivamente richieste dall’utenza;
   • L’energia elettrica necessaria al funzionamento del sistema frigorifero a compressione;
   • Il consumo di combustibile della caldaia assumendo per il gas naturale un LHV pari a 9,53kWh/Sm³;
2. Assumendo inoltre un costo medio dell’energia elettrica acquistata dalla rete pari a 190 €/MWh³, si calcoli:
   • La spesa annua complessiva per l’acquisto di energia elettrica;
   • La spesa annua complessiva per l’acquisto di gas naturale.
3. Per l’utenza in oggetto si prenda quindi in considerazione l’installazione di un sistema cogenerativo che utilizzi un motore primo, alimentato a gas naturale, tra i seguenti riportati in tabella:

4. Si tracci il lay-out della centrale di produzione in seguito all’introduzione del sistema cogenerativo mettendo in evidenza tutti i flussi energetici presenti.
5. Il candidato definisca la successione di accensioni e spegnimenti dei motori primi indicati per il funzionamento durante il periodo invernale, estivo e di mezza stagione, assumendo:
   • Che non ci sia mai dispersione al camino della potenza termica prodotta dal motore;
   • Che il motore primo funzioni sempre a pieno carico;
   • Che l’influenza delle condizioni ambientali sulle prestazioni dei motori primi sia trascurabile;
6. Sulla base di quanto calcolato nel punto precedente, il candidato scelga il motore primo in grado di garantire il numero maggiore di ore di funzionamento e la maggiore copertura possibile dei fabbisogni elettrici e termici dell’utenza. In particolare si calcoli, con riferimento al caso non cogenerativo:
   • La variazione di energia elettrica acquistata dalla rete;
   • La variazione del consumo di combustibile della caldaia;
   • La variazione del consumo di combustibile totale;
   • La variazione della spesa annua complessiva per il soddisfacimento dei fabbisogni energetici.
7. Sulla base delle scelte compiute nei punti precedenti, si supponga di aggiungere alla centrale di produzione un sistema frigorifero ad assorbimento (EER=0,67); il candidato calcoli:
   • La potenza di picco del sistema frigorifero ad assorbimento assumendo che possa essere alimentato solo dalla potenza termica prodotta dal motore primo;
   • La variazione del consumo di energia elettrica per la produzione di energia frigorifera conseguente all’introduzione del sistema ad assorbimento;
   • La variazione della spesa annua complessiva per il soddisfacimento dei fabbisogni energetici sempre in riferimento al caso non cogenerativo.

Esame di stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Seconda sessione 2015 – Sezione A settore industriale

Prima prova scritta

La prova consiste nello svolgimento di uno tra i temi proposti nel seguito:

• Tema 1: Tema di Chimica-Operazioni Unitarie. Separazione di correnti gassose: il Candidato esamini due fra le principali operazioni unitarie che vengono industrialmente utilizzate indicandone prestazioni e campi di applicazione.
• Tema 2: Tema di Chimica-Processi. Biocombustibili: il Candidato delinei le caratteristiche unificanti di questi prodotti e ne esamini un tipo a Sua scelta.
• Tema 3: Tema di Elettrica-Macchine. Il Candidato descriva la struttura ed il funzionamento dei convertitori elettronici di potenza impiegati nella produzione di energia attraverso l’uso di pannelli fotovoltaici.
• Tema 4: Tema di Elettrica-Impianti. Il Candidato illustri i criteri di esercizio del neutro nelle reti elettriche di distribuzione in media tensione in relazione all'intensità delle correnti di guasto a terra ed al coordinamento dell’isolamento.
• Tema 5: Tema di Energetica-Nucleare. Il Candidato discuta il principio di funzionamento di un impianto nucleare di potenza.
• Tema 6: Tema di Energetica-Energetica. Sistemi cogenerativi: prestazioni degli impianti, indici di valutazione.
• Tema 7: Tema di Gestionale-Economico. Il Candidato esponga e illustri i metodi VAN, TIR e PAYBACK per la valutazione degli investimenti nel lungo periodo. Di ciascuno descriva procedimento per il calcolo, dati necessari per la loro applicazione, vantaggi e svantaggi nel loro utilizzo da parte del management.
• Tema 8: Tema di Gestionale-Impianti. Il Candidato presenti i sistemi manuali di immagazzinamento e stoccaggio illustrandone le diverse tipologie. Si descrivano inoltre i principali criteri di progettazione di un magazzino tradizionale.
• Tema 9: Tema di Meccanica-Costr. Macchine. Il Candidato illustri i più comuni metodi di...