Macchine e sistemi energetici

INDICE MODULO 1 - Prof M. Bianchi

sabato 25 giugno 2016 16:20

Lezione 1: Lezione 8:

Classificazione delle macchine (a fluido) Scambiatore unidirezionale monotubulare in

- -

Classificazione delle fonti di energia controcorrente

- ○

Unità di misura e conversioni Tensione tubo in pressione

- ○ Temperatura media logaritmica

○

Lezione 2: Progetto e verifica

Richiami di termodinamica ○

- Diagramma di scambio termico

○ Equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma termica ○ Caso con superficie di scambio infinita

○ ▪

Principio di conservazione dell'energia per sistemi chiusi Pendenza freddo maggiore del caldo

○ ▪

Equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma meccanica Pendenza caldo maggiore del freddo

▪

○ Trasformazione politropica Fluidi con capacità termica uguale (stessa

○ Diagramma isoentropico pendenza)

▪ Rappresentazione trasformazioni sul diagramma Scambiatore in equicorrente

-

▪ Proprietà curve a pressione costante Vantaggi svantaggi equi e contro corrente

-

Composizione dell'aria

- Lezione 9:

Schema di una turbina a gas

- DIAGRAMMA T-S PER L'ACQUA

- ○ Caratterizzazione delle linee e punti notevoli

Lezione 3: Gruppo a vapore

-

TURBOGAS (CICLO BRYTON)

- ○

○ Pompa

Ciclo termodinamico ○

○ Caldaia

Lavoro compressore e turbina ○ Turbina

Rendimento termodinamico

- ○ Condensatore

Lavoro utile

- ○ Torre di raffreddamento

Trade off lavoro utile-rendimento

-

Lezione 4: Lezione 10:

TURBOGAS (CICLO REALE) CICLO RANKINE

- -

○ ○

Le magiche 18 equazioni Schema impianto

○ ○

Diagramma ad asola Rendimento termodinamico

○

Esercitazione turbogas Influenza di variazioni di pK sul rendimento

- ▪ Grafico T-Q del condensatore

○

Lezione 5: Influenza di variazioni di pV sul rendimento

○

Compressore

- Limiti del ciclo Rankine

○ Lavoro reale CICLO HIRN

-

○ ○

Rendimento Diagramma T-s

▪ Rendimento isoentropico

▪ Rendimento politropico Lezione 11:

▪ ○

Confronto tra rendimenti Aumento di rendimento Hirn rispetto a Rankine

Turbina

- Termovalorizzatori (bonus)

-

○ Lavoro reale Risurriscaldamento

-

○ ○

Rendimento Turbina di alta e bassa pressione

▪ ○

Rendimento isoentropico Range di pressione di risurriscaldamento

▪ Rendimento politropico ○ Titolo di fine espansione

▪ Confronto tra i rendimenti ○ Rendimento e risurriscaldamento

Camera di combustione ▪

- Range ottimale di pRH

○ Rendimento Approfondimento degasatore

-

Rendimento del turbogas

- Lezione 12:

Lezione 6: Introduzione spillamenti

-

COMBUSTIONE

- ○ Aumento di rendimento

○ Reazione del carbonio ○ Grado di rigenerazione

○ Reazione dell'idrogeno Soluzione a 3 spillamenti

-

○ Reazione dello zolfo ○ Valvola di laminazione

○ Calcolo massa di ossigeno stechiometrica

○ Formula massa d'aria teorica Lezione 13:

▪ Calcolo per metano Soluzione a 3 spillamenti

-

▪ ○

Modifiche formula per considerare reagenti liberi Lavoro reale

Eccesso d'aria

- ○ Linea di rigenerazione

○ Considerazioni sul tipo di combustibile e rendimenti CALDAIA

-

○ Eccesso d'aria nel turbogas ○ Rendimento per via diretta

POTERI CALORIFICI

- ○ HHV Lezione 14:

○ ○

LHV Rendimento per via indiretta

▪ Legame con eccesso d'aria e combustibile

Lezione 7: Componenti caldaia

-

○ ○

LHV di un combustibile Corpo cilindrico

▪

Principali combustibili fossili

- Funzioni corpo cilindrico

○ ○

Gas naturale Flusso dei fumi

▪ Standard m3

▪ Normal m3 Lezione 15:

○ Petrolio Camera di combustione

-

○ ○

Carbone Dettagli costruttivi

○

Energia per unità di volume

- Determinazione della Tmc

▪

SCAMBIATORI DI CALORE A SUPERFICIE

- Influenze dei parametri sulla Tmc

○ ▪

Profilo di temperatura (grafico) Problemi Tmc causate dai combustibili

○ Coefficiente globale di scambio termico Schema finale caldaia

-

○ ○

Temperatura di parete Preriscaldatore d'aria

lezione 1 23-02-16 Pagina 1

sabato 25 giugno 2016 17:11

Lezione 16:

Esercitazione gruppi a vapore

- ○ Rankine

○ Hirn

○ Risurriscaldamento

○ Spillamento

Lezione 17:

SCHEMI CALDAIE

- ○ A tubi di fumo

▪ Locomotiva a vapore

▪ Caldaia Cornovaglia

▪ Caldaia marina

○ A tubi d'acqua

▪ Caldaia Babcok

▪ Caldaia moderna a irraggiamento

□ Iniettori

□ Naso

□ Tempo di permanenza

□ Carico termico

□ Ventilatori

□ Preriscaldatore d'aria

Lezione 18:

CONDENSATORE

- ○ Diagramma di scambio termico

○ Condensatore a due passaggi

▪ Influenza del numero di passaggi su:

□ Coefficiente di scambio termico

□ Perdite di carico

□ Lunghezza tubi

□ Ingombro radiale

○ Problema condensa, ingresso aria e quantità di fluido refrigerante richiesto

○ Torre di raffreddamento

Lezione 19:

CICLI COMBINATI GAS VAPORE

- ○ Rendimento ciclo combinato

○ Rendimento per via indiretta

▪ Rendimento di recupero

○ Diminuzione Pk e rendimento

○ Aumento Pv e rendimento

Lezione 20:

Ciclo combinato ad un livello di pressione

- ○ Diffusore in-depth

○ Valutazione sull'introduzione degli spillamenti

Ciclo combinato a due livelli di pressione

-

Lezione 21:

Ciclo combinato a due livelli di pressione

- ○ Schema d'impianto

○ Vantaggio rispetto al mono livello di pressione

Cutting edge, IGCC

- COGENERAZIONE

- ○ Definizione PES

Lezione 22:

○ Confronto tra impianto cogen e produzione separata

○ Grafico PES

○ Aggiornamento normativa

▪ Frazione di energia elettrica considerata cogen

○ Benefici impianti cogen

○ Osservazione sul calcolo del rendimento

SISTEMA COGEN CON TURBINA A GAS

- ○ Fluido utilizzato

○ Punto di design

○ Metodi per aumentare/diminuire Qt

▪ Torre di raffreddamento

▪ Camino di bypass

▪ Post-combustione

Lezione 23:

○ Punto di lavoro dell'impianto

IMPIANTO COGEN A VAPORE CON TURBINA IN CONTROPRESSIONE

- ○ Condensatore caldo

○ Vantaggi e difetti

○ Punto di design

IMPIANTO COGEN A VAPORE CON TURBINA IN DERIVAZIONE/CONDENSAZIONE

- ○ Vantaggi e svantaggi rispetto al caso precedente

○ Punto di design

CICLO COMBINATO COGEN

- ○ Benefici in termini di PES legati all'introduzione di un turbogas

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Classificazione delle macchine

lunedì 22 febbraio 2016 17:06

Il termine macchine indica macchine a fluido, il quale entra nella macchina scambiando calore e lavoro.

l'obiettivo della macchina di questo tipo è erogare lavoro assorbendolo dal fluido (e.g. turbina eolica, sfrutta

energia cinetica aria (fluido) per produrre lavoro meccanico).

Il lavoro viene introdotto dall'esterno e lo scopo è incrementare l'energia del fluido (e.g.

ventilatore).

Fluido A e B entrano nella macchina per scambiarsi energia. Quando abbiamo a che fare con più fluidi

l'obbiettivo in generale non è produrre lavoro ma scambiare calore tra essi.

Tale macchina è anche accademicamente nominata, talvolta, SCAMBIATORE DI CALORE.

Lo scambiatore è una macchina statica perché non ci sono parti in movimento ad eccezione dei fluidi

che scorrono.

A noi interessano le macchine a fluido dove vi è scambio di calore ma anche un processo di combustione, in tal caso la macchina prende il nome di caldaia o

camera di combustione (a seconda di come è realizzata la macchina). Queste sono macchine di fatto statiche solo che all'interno avviene un processo di

ossidazione di un combustibile che serve a convertire energia chimica in energia termica.

Esistono variazioni a questi schemi.

È possibile che in una macchina il fluido A e B si uniscano in un unico fluido C (e.g. motore a combustione: aria (comburente) + combustibile -> gas di scarico)

Le macchine in genere si distinguono anche in base alla natura del fluido che elaborano. A noi da questo

punto di vista interessa la comprimibilità. Alcune macchine lavorano con fluido comprimibile, altre con fluido

incomprimibile.

Quello che fa la differenza tra un fluido comprimibile o no è l'applicazione. Anche l'acqua potrebbe comportarsi da fluido comprimibile se sottoposta a

pressioni molto elevate. Noi diamo etichette di gas comprimibile o no, gas perfetto o no, in particolari condizione di esercizio e applicative. (e.g. in un

ventilatore la pressione dell'aria non varia significativamente quindi la comprimibilità dell'aria può essere trascurata).

In base all'architettura della macchina dividiamo macchine dinamiche (turbomacchine) da macchine volumetriche.

Un esempio di turbomacchina è il ventilatore, o la turbina eolica.

Una macchina volumetrica è una macchina in cui il fluido viene isolato in un volume, a cui seguono operazioni per prendere lavoro dal fluido e infine lo

scarichiamo all'esterno. In queste macchine sono presenti camere a volume variabile e il fluido interagisce in modo pressoché statico coll'elemento mobile.

Non c'è isolamento nella turbina eolica, mentre c'è in un motore a scoppio di una automobile.

Se il passaggio del fluido è continuo e non c'è isolamento parliamo di turbomacchine.

Le macchine volumetriche a loro volta si dividono in rotative (si ha un moto esclusivamente rotatorio e.g. motore wankel) ed alternative

(si aggiunge un moto alternato a quello rotatorio e.g. motore automobile).

Le macchine dinamiche si dividono in assiali e radiali in base alla direzione prevalente del fluido rispetto all'asse di rotazione della macchina (e.g. la

turbina eolica è una macchina assiale).

Per quanto riguarda gli scambiatori di calore distinguiamo scambiatori a superficie (i due fluidi sono separati da una superficie, avrò due ingressi

distinti di fluido e sue uscite distinte) e scambiatori a miscela (due fluidi scambiano calore miscelandosi e avendo in uscita un unico fluido).

Quando la macchina è sede di un processo di combustione la distinzione che ci interessa è legata al fatto che la combustione sia interna (macchine

endotermiche) od esterna. Interna e esterna è riferito rispetto al fluido che compie il ciclo termodinamico.

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Sistemi energetici

lunedì 22 febbraio 2016 17:06

Sistemi energetici = unione di più macchine a fluido con lo scopo di convertire energia da una forma a un'altra.

In particolare studieremo sistemi energetici che si utilizzano per convertire energia chimica di un combustibile in lavoro meccanico.

Questo avviene attraverso più macchine che operano con lo stesso fluido.

Operano una conversione come da figura (l'energia chimica viene convertita in calore per poi diventare lavoro attraverso un ciclo termodinamico):

Una viene

fonte di energia

definita quando è presente

primaria

in e quindi non deriva dalla

natura

trasformazione di nessuna altra forma

di energia.

Ci concentriamo su sistemi energetici costituiti da più macchine, Diverse categorie di combustibile:

Fossili

una delle quali sappiamo già sarà la caldaia (processo di - Biomasse

combustione), le altre macchine opereranno un ciclo - Rifiuti solidi urbani (RSU)

termodinamico per ottenere calore o lavoro. -

Tutte hanno energie chimica che dobbiamo convertire in

calore per poi produrre lavoro meccanico

I combustibili sono fonti energetiche primarie, importanti ma non le uniche! Un'altra possibile fonte è infatti l'energia nucleare.

Processo di conversione nucleare è del tutto simile al processo di combustione, entrambe vogliono in uscita energia termica. Non abbiamo più la caldaia ma

un reattore nucleare (per produrre calore). Da energia termica ci serve lo stesso ciclo termodinamico successivo per produrre il lavoro richiesto.

Nb: i cicli termodinamici che studiamo sono indipendenti dall'origine dell'energia termica.

Stesso discorso per un'altra fonte, l'energia geotermica, energia che viene dal sottosuolo (calore accumulato dal nucleo terrestre). La figata pazzesca è che è

già calore, devo solo raccogliere tale energia termica con sistemi energetici e poi procederò a ottenere lavoro.

Energia solare è un'altra energia termica primaria, energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.

I comuni esseri umani la utilizzano per produrre o calore (Eliotermici conosciuti come pannelli solari termici -> producono calore) o energia elettrica (Sistemi

fotovoltaici -> operano la conversione diretta da radiazione elettromagnetica a elettricità).

Non esistono sistemi energetici in grado di produrre energia meccanica dall'energia solare (a parte cose sperimentali).

Altre fonti primarie sono Idraulica, Eolica, Maree e onde.

Esse vengono convertite in energia direttamente meccanica. Per tale conversione non ho bisogno di un sistema energetico, mi basta una macchina a fluido!

Per es. la turbina eolica o idraulica.

Qui il concetto di sistema e macchina si confondono (perché si identificano).

Viene bypassato completamente il ciclo termodinamico.

Le macchine elettriche completano il processo di conversione da combustibili a elettricità (non trattate in questo corso)

12,000 Mtep -> fabbisogno stimato mondiale di energia primaria/anno (TPES total primary energy supply)

È quanto dobbiamo prendere dalla fascia in alto di energie per tutte le nostre attività.

Il TEP sta per Tonnellata Equivalente di Petrolio (in inglese TOE total oil equivalent) e si usa per misurare i grandi quantitativi di energia. Si usa anche per i

pannelli solari e ci dice quanto stiamo risparmiando sull'uso possibile, e alternativo, di petrolio.

Ognuno di noi consuma all'anno 2 tonnellate di petrolio! (considerando di essere 6 miliardi di abitanti)

Di sto numerone, il 91% arriva da combustibile. Di tale percentuale, l'81% arriva da combustibili fossili.

Il 6% da energia nucleare.

Il 2,2% dall'idraulica (il prof ha visto i dati più recenti)

Rimane 0,8% da spalmare su tutto il resto.

L'energia nucleare è tutta convertita in energia elettrica, non si usa per riscaldare il bagno di camera mia.

Il 33% circa di energia da combustibili arriva a energia elettrica, il resto si ferma prima.

L'energia elettrica è la forma di energia più preziosa, perché è la più trasportabile!

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Caratteristiche fonti energetiche e unità di misura dell'energia

martedì 23 febbraio 2016 12:23

Una caratteristica delle fonti di energia è la trasportabilità. Non tutte le fonti primarie sono trasportabili, non lo sono l'energia solare e geotermica ,

mentre lo sono quella nucleare e del combustibile. L'energia termica non è trasportabile se non a brevi distanze e lo stesso vale per la meccanica.

L'energia elettrica è trasportabile a grande distanza è questo il motivo per il quale tendiamo a trasformare l'energia in elettrica. l'energia elettrica può

essere utilizzata direttamente (e.g. lampadina) o altrimenti può essere ritrasformata in altre forme di energia come meccanica o termica.

Trasportare in gergo si dice vettorizzare.

Per trasportare un combustibile fossile spendo energia, ne spendo anche per convertirlo in altre forme di energia e deve valere che l'energia che

ottengo alla fine è di più di quella che ho speso perché sia un energia primaria. Alcuni combustibili si dicono energicamente poveri quando hanno un

basso potere calorifico, questi combustibili non si trasportano perché non ne vale la pena.

Un altro aspetto importante è la programmabilità della fonte energetica primaria che utilizziamo. Questo concetto è legato al tempo, ci sono fonti

energetiche primarie che possono essere utilizzate solo quando si rendono disponibili (e.g. l'energia solare non è programmabile, allo stesso modo l'energia

geotermica, i combustibili [tutti] sono programmabili).

Una fetta dell'energia idraulica è programmabile, si divide infatti in:

acqua fluente (non programmabile)

- a serbatoio o bacino (diga di contenimento che rende programmabile lo sfruttamento dell'energia idraulica). Il picco di energia richiesta alle 12 e 17

- solitamente viene soddisfatto grazie a questo metodo.

Termica ( potrei pensare a un boiler dell'acqua ma contiene una quantità di energia molto piccola), meccanica ( potrei accumularla in un volano ma è

sempre piccola l'energia in gioco) e elettrica ( si immagazzinano quantitativi minimali) non sono programmabili.

R = rinnovabile.

Una fonte è rinnovabile se non si esaurisce, se si rigenera in un lasso di tempo paragonabile alla vita umana. Il sole c'è anche domani, l'acqua pioverà di

nuovo prima che muoia, maree e onde ok, biomasse prende una R discutibile perché una foresta falciata per produrre energia potrebbe tardare più di 80

anni a ricrescere.

Combustibili fossili e RSU per legge non sono R, mentre geotermica si.

Il freddo o energia frigorifica si produce da energia meccanica o termica.

Da energia meccanica, per es. frigorifero, condizionatore; da energia termica, frigo ad assorbimento (sistemi che producono freddo usando come sorgente

acqua calda (il 'sistema magico' cit. Prof). Il consumo primario è di calore). Si usa soprattutto in alberghi per ridurre il rumore dovuto a parti rotanti che qua

non sono presenti (compressore etc).

L'idrogeno è un combustibile ma non è una fonte energetica primaria.

Questo vuol dire che per sfruttare l'idrogeno usiamo i processi tipici degli altri combustibili, in primis un processo di combustione.

Non trattandosi di una fonte primaria, si produce in due modi:

Partendo da energia elettrica (10%), attraverso l'elettrolisi dell'acqua