Corsi di “Macchine e

Sistemi Energetici” e di

“Termodinamica e

Macchine”

Facoltà di Ingegneria e

Architettura

Daniele CoccoDipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei

Materiali, Università degli Studi di Cagliari

Mail: daniele.cocco@unica.it

Web: http://people.unica.it/danielecocco/

A.A. 2017-2018

In questo corso ci

occuperemo di

ENERGIA

Cosa è l’Energia?

L’energia può essere definita come la capacità

di produrre cambiamenti, ovvero di produrre

trasformazioni.

Pertanto, l’energia entra in gioco ovunque vi sia

del movimento, del calore scambiato o una

reazione chimica. L’energia è alla base di

qualunque nostra attività e la utilizziamo per

alimentarci, riscaldarci, spostarci, produrre beni

e servizi, etc.

Consumo Mondiale di Energia

Tasso medio annuo di

crescita 4-5%

Produzione di Energia Elettrica

La Conversione dell’Energia

Fonti Primarie Fonti Secondarie

Sole

(radiante)

Vento

(cinetica)

Acqua

(potenziale)

Combustibili

(chimica)

Uranio

(nucleare)

Energia

meccanica

Energia

termica

Energia

elettrica

Generatore

Fotovoltaico

Fuel

cell

Turbina

eolica

Combustore

Reattore nucleare

Pannello

solare

Turbina

idraulica

Ciclo

termodinamico

Energia Termica

Energia Meccanica

Energia Meccanica

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

Energia Elettrica

Impianti a Vapore

Impianti a Vapore

Impianti di Turbina a Gas

Gli argomenti del corso

I. Termodinamica Applicata

(30 ore, 3 Crediti)

II. Macchine a Fluido

(30 ore, 3 Crediti)

III. Sistemi Energetici

(30 ore, 3 Crediti)

AM

BIE

NT

AL

I

CH

IMIC

I

EL

ET

TR

ICI

I. Termodinamica Applicata

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

I. Termodinamica Applicata

È possibile sapere quanti kg di gas

(azoto, ossigeno, metano, etc.) sono

contenuti in un serbatoio misurandone

solo pressione e temperatura?

I. Termodinamica Applicata

Quanto gasolio consuma una caldaia

che produce 100 litri/giorno di acqua

calda sanitaria a 50 °C?

I. Termodinamica Applicata

Quale spessore di isolante occorre

prevedere per evitare che la

temperatura di un fluido che scorre in

una tubazione diminuisca meno di 1°C?

II. Macchine a 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.

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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

II. Macchine a Fluido

Quale pompa si deve scegliere per far

circolare una portata di 20 l/minuto di

acqua in un impianto solare?

II. Macchine a Fluido

Come si può verificare in sede di

collaudo il rendimento di un

compressore?

II. Macchine a Fluido

Posso utilizzare una pompa installata a

livello del suolo per prelevare acqua da

un pozzo profondo 20 metri?

III. Sistemi Energetici

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

III. Sistemi Energetici

Come si valuta il costo di produzione

dell’energia di una centrale

termoelettrica (per poi confrontarlo con

il costo dell’energia in bolletta!)?

III. Sistemi Energetici

Quanto combustibile si può risparmiare

installando in azienda un impianto di

cogenerazione?

III. Sistemi Energetici

Come si può valutare il rendimento di

una caldaia?

Libri di testo consigliati

Yunus A. Cengel,

“Termodinamica e

Trasmissione del Calore”,

McGraw-Hill Libri Italia

Vincenzo Dossena e Al.,

“Macchine a Fluido”,

CittàStudi Edizioni

Per approfondimenti

Renato Della Volpe,

“Esercizi di Macchine”,

Liguori Editore

Carlo Carcasci e Bruno

Facchini, “Esercitazioni di

Sistemi Energetici”, Società

Editrice Esculapio

Giorgio Cornetti,

“Macchine idrauliche” e

“Macchine termiche”,

Edizioni il Capitello

Materiale didattico e informazioni:

http://people.unica.it/danielecocco

Ricevimento studenti: Tutti i giorni, previo appuntamento

(meglio via mail)

Modalità d’esame: una prova scritta e una prova orale.

Sono previste 3 prove (2 per i corsi da 6 CFU) di

valutazione intermedia:

27 Ottobre - Termodinamica Applicata

6 Dicembre - Macchine a Fluido

8 Gennaio 2018 - Sistemi Energetici

Il superamento delle prove intermedie esonera dalla

prova scritta (fino a tutto Febbraio 2018).

Cit. “Legge di Murphy sugli esami”