ENERGY CONVERSION SYSTEMS
Academic year2022/23
CourseCHEMICAL ENGINEERING
Code019II
Credits9
PeriodSemester 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| SISTEMI ENERGETICI | ING-IND/09 | LEZIONI | 90 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Gli studenti apprenderanno conoscenze relative al principio di funzionamento ed alle basi delle macchine a fluido (turbine, compressori e pompe), degli impianti di conversione dell'energia (impianti a vapore, turbine a gas e motori a combustione interna) e dei principali sistemi di conversione dell'energia rinnovabile (energia solare, eolica, geotermica ed idraulica).
Knowledge
Students are expected to know the operating principles and foundamentals of fluid machines (turbines, compressors and pumps), energy convesion plants (steam power plants, gas turbines and internal combustion engines) and the main systems for renewable energy conversion (solar, wind, geothermal and hydro power)
Modalità di verifica delle conoscenze
La conoscenza verrà verificata dalla dimostrazione della capacità di discutere gli argomenti principali del corso con una terminologia appropriata. Durante l'esame orale lo studente dovrà dimostrare la conoscenza degli argomenti del corso rispondendo alle domande in modo approfondito e con proprietà di linguaggio. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di mettere in pratica e di eseguire con spirito critico le attività illustrate durante le lezioni. Nel rispondere alle domande fatte dal docente, lo studente dovrà dimostrare la capacità di affrontare un problema e di organizzare un'esposizione efficace dell'argomento.
Assessment criteria of knowledge
Student knowledge will be assessed by considering their ability to discuss the main course contents by using an appropriate terminology. During the oral exam, the student must be able to demonstrate his/her knowledge of course content by answering to the questions thoroughly and with the proper terminology. Student must show his/her capability to put in practice the concepts explained during the course, to face a problem relate to course content, and organize an effective exposition of the topic.
Capacità
Al termine del corso lo studente sarà capace di descrivere in modo accurato le principali caratteristiche delle principali tipologie di impianti di conversione energetica e delle macchine a fluido con particolare riferimento alle grandezze tipiche, le prestazioni ed i fenomeni che hanno luogo in essi.
Skills
At the end of the course, the student will be able to describe accurately the main characteristics of typical fluid machines, energy conversion plants and their components with particular reference to relevant quantities, performance and phenomena taking place in them.
Modalità di verifica delle capacità
L'accertamento delle capacità avviene attraverso discussione in sede di esame.
Assessment criteria of skills
Discussion during the final examination
Comportamenti
Lo studente avrà acquisito la capacità di analizzare e commentare il funzionamento di sistemi per la conversione dell’energia e dei loro componenti evidenziandone le principali criticità. Lo studente avrà sviluppato un approccio razionale e metodologicamente motivato alla scelta ed alla configurazione dei sistemi energetici e delle macchine a fluido.
Behaviors
The student will be able to analyze and comment operating principles of systems for energy conversion and their components with particular stress to their criticalities. The student will exhibit a rational and methodologically justified approach to the choice and use of energy systems and fluid machines.
Modalità di verifica dei comportamenti
Verifica in sede d'esame orale mediante apposite domande volte a verificare l'acquisizione dei comportamenti indicati.
Assessment criteria of behaviors
Discussion during the final examination.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Conoscenze di base dei principi della termodinamica e della conservazione dell’energia
Prerequisites
Basic knowledge of principles of thermodynamic and energy conservation.
Indicazioni metodologiche
- Lezioni frontali con slide preparate dal docente;
- Discussioni collettive di casi di studio;
- Seminari di ricercatori ospiti su tematiche specifiche;
- Visite didattiche a casi sudio industriali;
- Frequenza: non obbligatoria, ma consigliata
Teaching methods
- Face to face lessons with slides provided by the teacher;
- Discussion of case studies;
- Lectures of experts;
- Visit to industrial case studies;
- Attendance not mandatory but suggested
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Richiami di termodinamica, Sistemi aperti e chiusi. Primo principio della termodinamica. Espressione del primo principio per sistemi aperti e chiusi. Secondo principio della termodinamica. Proprietà termodinamiche dei fluidi. Liquidi, gas e vapori. Equazioni di stato. Diagrammi termodinamici: T-s, h-s, p-v. Proprietà termodinamiche dei gas perfetti. Proprietà termodinamiche del vapore d'acqua. Tabelle delle proprietà del vapore. Esempi di trasformazioni termodinamiche: isoterma, isobara, isocora, adiabatica, politropica. Compressione ed espansione adiabatica, reale, politropica. Rendimenti delle trasformazioni adibatica e politropica. Exergia. Definizioni. Bilanci exergetici. Perdite exergetiche. Esempi di trasformazioni valutate con l'analisi exergetica.
- Elementi di scambio termico: conduzione, convezione ed irraggaimento. Combustibili e combustione. Combustibili solidi, liquidi e gassosi. Potere calorifico superiore e inferiore.
- Impianti motore a vapore. Miglioramenti al ciclo Rankine: surriscaldamenti mutipli. Rigenerazione termica. Elementi degli impianti a vapore: rigeneratori, degasatore, condensatore. Generazione del vapore. Generatori di vapore speciali. Altri componenti per impianti a vapore.
- Motori a combustione interna: cicli di riferimento Confronto tra i motori principali, diagramma di distribuzione e curva della pressione. Funzionamento reale del motore a combustione interna, lavoro in un motore a combustione interna. Descrizione del ciclo reale e delle particolarità dei vari parametri. Sovralimentazione. Alimentazione e iniezione nei motori a combustione interna a ciclo Otto e Diesel.
- Termodinamica delle turbine a gas: ciclo semplice ideale, ciclo limite, ciclo reale. Rendimento e lavoro specifico. Turbine a gas: rigenerazione termica, interefrigerazione, post combustione, iniezione di vapore. Camere di combustione: configurazione di base, evoluzione della tipologia,
problemi e soluzioni per la combustione, emissioni inquinanti principali. Stadi refrigerati di turbina a gas: raffreddamento per convezione, per film. Parametri per la qualità della refrigerazione. Rendimento di propulsione per turbine a gas aeronautiche.
- Cicli combinati gas-vapore. Schema della caldaia a recupero. Caldaie ad un livello di pressione. Caldaie a due livelli di pressione. Caldaie a tre livelli di pressione. Serie H dei cicli combinati con refrigerazione delle pale a vapore.
- Definizione di velocità del suono. Velocità caratteristica adiabatica. Grandezze totali. Numero di Mach. Ugello convergente-divergente. Cono di Stodola
- Equazioni fondamentali del moto dei fluidi. Equazione di Bernoulli. Equazione dell'energia. Conservazione della quantità di moto. Grandezze totali. Turbine assiali. Triangoli di velocità. Stadio di turbine assiali ad azione e reazione. Rendimento di palettatura. Compressori assiali. Stadio di compressore assiale. Triangoli di velocità. Diffusori. Prestazioni dei diffusori. Compressori centrifughi. Triangoli di velocità. Slip Factor. Riepilogo turbine ad azione/reazione, confronto stadi ad azione e reazione, perdite per urto, perdite per effetto ventilante e attrito, ugello convergente divergente.
- Turbine idrauliche. Similitudine e definizione di numero di giri specifico e diametro specifico. Impianti ad acqua fluente e a bacino. Scelta delle turbine idrauliche. Turbina Pelton. Regolazione della turbina Pelton. Turbina Francis e Turbine ad elica (Kaplan e Bulbo). Distribuzione e regolazione della portata nelle turbine a reazione. Pompe centrifughe. Pompe centrifughe con palettatura indietro, radiale e in avanti. Cavitazione. NPSH disponibile e richiesto. Altezza massima di aspirazione. Pompe in serie e in parallelo. Regolazione e avviamento delle pompe. Pompe volumetriche e pompe speciali.
- Energie rinnovabili: energia solare termica e fotovoltaica, energia solare a concentrazione, energia eolica, legge di Betz, energia idroelettrica, energia geotermica, impianti ad acqua e a vapore dominante.
Syllabus
- Principes of thermodynamics. Open and closed systems, First and second law of thermodyanics for open and closed systems. Properties of fluids: liquids, gas and vapors. Equations of state. Thermodynamic diagrams: T-s, h-s, p-v. perfect gas and vapors. Examples of thermodynamic processes: constant temperature, pressure, volume, adiabatic and polytropic. Compression and expansion processes. Efficiency of compression and expansion. Exergy analysis: principles.
- Fuels and combustion. Solid, liquid and gaseous fuels. Lower and higher heating value.
- Steam power plants. improvements to Rankine cycle: superheating, feedwater heating. steam plants components: feedwater heaters, deaerator, condenser. Steam generators.
- Internal combustion engines: typology of main engine systems, 2-4 stroke, diesel/otto, phase diagram and pressure distribution. Real operation of internal combustion engines and expression of work and power. Supercharging. Injection and charge preparation in engines.
- Gas turbines: Simple cycle efficiency and work. Improvements: recuperation, intercooling and post combustion. Combustion chambers. Blade cooling principles. Propulsion with gas turbines.
- Combined gas-steam cycles. HRSG: single and multiple pressure.
- Speed of sound and Mach number, converging-diverging nozzle, Stodola cone.
- Fundamental equations of fluid flow. Bernoulli equation. Energy balance equazione. Momentum of fluid. Total magnitudes. Axial turbines. Velocity triangles. Impulse and reaction turbine stages. Blade efficiency. Axial compressors. Compressor stage. Velocity triangles. Diffusers. Radial compressors. Velocity triangles. Slip Factor. Impulse and reaction stages comparison, losses in turbine blades.
- Hydraulic turbines. Similitude and non dimensional parameters. River and basin hydroelectric plants. Selection of hydro turbines. Pelton, Francis and Kaplan turbines. Centrifugal pumps. Cavitation. Available and requested NPSH. Pomps in series and parallel. Volumetrci and special pumps.
- Renewable energy: solar thermal, concentrated and PV solar systems. wind energy. hydroenergy, river and basin sytems. Geothermal energy: water and steam dominated systems.
Bibliografia e materiale didattico
Gli studenti hanno a disposizione il materiale fornito dal docente
Libri di consultazione aggiuntivi:
- Cavallini, Mattarolo "Termodinamica Applicata" CLEUP editore
- Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, Milano, 1998.
- Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Napoli, 1994.
- Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, 1992.
Bibliography
Slides provided by the teacher
Additional readings:
- Cavallini, Mattarolo "Termodinamica Applicata" CLEUP editore
- Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill, Milano, 1998.
- Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Napoli, 1994.
- Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, 1992.
Indicazioni per non frequentanti
Non ci sono differenze con chi segue il corso
Non-attending students info
No difference with those attending the course
Modalità d'esame
L'esame consiste in una prova orale della durata approssimativa di 30 minuti (3 domande) volta all’accertamento della conoscenza degli argomenti trattati durante il corso. Durante il colloquio, al candidato potrà anche essere richiesto di risolvere problemi scritti o discutere casi studio. La prova orale non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro e non risponde, o risponde con evidenti carenze, sulle conoscenze di base del corso
Assessment methods
The exam consists of an oral interview of around 30 minutes (3 questions) that is aimed at ascertaining the knowledge of the topics discussed during the course. During the interview, the candidate may also be asked to solve written problems or discuss case studies. The oral exam is not passed if the candidate shows that he / she is not able to express himself clearly and does not respond, or responds with apparent deficiencies, on the basic knowledge of the course
Updated: 01/08/2022 19:49
