PROGRAMMA DI SISTEMI ENERGETICI

PROGRAMMA DI SISTEMI ENERGETICI II
Laurea Magistrale in Ing. Meccanica
A.A. 2010/2011
Classe delle lauree in:
Ingegneria Industriale (classe 10)
Tipo di attività
formativa:
Caratterizzante
Titolo
dell’insegnamento:
SISTEMI ENEGETICI II
Ambito disciplinare:
Ingegneria Meccanica
Codice
dell’insegnamento:
Corso di laurea in:
Ingegneria Meccanica
Settore scientifico disciplinare:
Sistemi per l’Energia e l’Ambiente
(ING-IND/09)
Tipo di insegnamento:
obbligatorio
Anno accademico:
2010 - 2011
CFU:
6
Anno:
1°
Semestre:
2°
DOCENTE:
Prof. Bernardo Fortunato
ARTICOLAZIONE IN TIPOLOGIE DIDATTICHE:
Il corso comprende 40 ore di lezioni teoriche (t), 16 ore di esercitazioni.
CONOSCENZE PRELIMINARI:
Le conoscenze dei corsi di Fluidodinamica, Sistemi Energetici I e di Macchine a Fluido I sono essenziali.
OBIETTIVI FORMATIVI:
Acquisire competenze nel campo dei moderni sistemi di conversione dell'energia; capacità di progettare impianti
di produzione di energia elettrica e di analizzarne le prestazioni sia in condizioni nominali che fuori progetto.
Utilizzo di software per la modellazione di impianti energetici complessi.
PROGRAMMA:
1. Fonti di energia (4t): Consumi energetici e disponibilità delle risorse di combustibili fossili. Produzione
centralizzata e distribuita. Contributi dei diversi tipi di impianti per soddisfare la curva della domanda.
Combustibili fossili: petrolio e suoi derivati, gas naturale e carbone. Effetto serra e tecnologie per la
riduzione delle emissioni di CO2. Il mercato dell’energia e le incentivazioni.
2. Energie rinnovabili (2t) : Panoramica delle energie rinnovabili: Solare, eolico, geotermico,
biomasse,maree.
3. La combustione nei sistemi energetici (2t ): I combustibili e le loro proprietà. Definizione di PCI e
combustione. Entalpia di Formazione. Bilancio entalpico di un combustore. Indice di Wobbe per combustibili
gassosi.
4. Impatto ambientale ed emissioni inquinanti ( 2t) : Definizioni . Emissioni di materia ed energia degli
impianti energetici. Emissioni aeriformi da combustione . Chimica della combustione. Prodotti di
combustione e Emissioni inquinanti. Quadro normativo. Sorgenti inquinanti. Inquinamento primario.
Inquinamento secondario. Smog Fotochimico. Meteorologia. Tabelle degli inquinanti più diffusi .
5. Exergia (2t; 2e): Definizione ed applicazioni varie
6. Progetto e fuori progetto impianto turbo-gas:(6t,4e) Funzionamento di un impianto turbo-gas in
condizioni di progetto e fuori-progetto, relative equazioni e modelli di calcolo. Raffreddamento della pale
della turbina. Turbine Heavy Duty e Aeroderivative, Curve caratteristiche del turbocompressore e della
turbina. Influenza delle condizioni ambiente sul ciclo a gas. Avviamento e regolazione dei turbo-gas.
7. Cicli a gas innovativi (2t,2e) Cicli STIG e cicli evaporativi.
8. Impianti a ciclo combinato gas vapore (5t; 2e): Classificazione delle diverse tipologie di cicli combinati.
Cicli con e senza post-combustione. Schemi a più livelli di pressione. Caratteristiche della caldaia a
recupero; prestazioni dell’impianto combinato; problematiche di regolazione ai carichi parziali. Schemi di
repowering di impianti esistenti. Impianti combinati con gassificazione del carbone. Impianti innovativi con
sequestro della CO2.
9. Cogenerazione di energia elettrica e calore (5t, 4e): Cogenerazione mediante impianti a vapore, turbine a
gas e motori a combustione interna. Indice di risparmio energetico (IRE). Trigenerazione.
10. Calcolo caldaia e condensatore di un impianto a vapore (3t,2e). Tipi di caldaie. Richiami di scambio
termico per conduzione, convezione ed irraggiamento. Calcolo superficie caldaia e condensatore.
11. Celle a combustibile e idrogeno (3t): Principi di funzionamento e classificazione delle celle a combustibile;
Termodinamica delle celle a combustibile; Prestazioni ideali. Prestazioni reali e rendimento di cella. Impianti
ibridi. Produzione di idrogeno da combustibili fossili e da fonti rinnovabili.
12. Sfruttamento dell’energia nucleare (4t): concetto di reazione a catena. Schemi di reattori nucleari a
fissione. Sicurezza nucleare. Tecnologie impiegate nelle centrali nucleari. Reattori nucleari raffreddati a gas

e ad acqua; caratteristiche degli impianti di produzione elettrica.
METODI DI INSEGNAMENTO:
Lezioni ed esercitazioni in aula supportate dall'impiego di computer e videoproiettore; tutoraggio in forma di
assistenza individuale.
CONOSCENZE E ABILITÀ ATTESE:
Al termine del corso gli studenti avranno appreso le principali tecnologie oggi impiegati negli impianti di
produzione di energia elettrica e saranno in grado di calcolare le prestazioni degli impianti anche facendo uso di
specifici programmi di calcolo.
SUPPORTI ALLA DIDATTICA:
PC, 1 videoproiettore, dispense su parte del programma. Aula didattica presso il DIMeG dove sono disponibili
programmi per il calcolo delle prestazioni degli impianti di potenza.
CONTROLLO DELL’APPRENDIMENTO E MODALITÀ D’ESAME:
Esame scritto su parte teorica ed esercitativa. La verifica dell’apprendimento prevede la realizzazione di un
tema d’anno incentrato sulla progettazione di un impianto di potenza.
TESTI DI RIFERIMENTO PRINCIPALI:
[1] Dispense didattiche disponibili in formato elettronico (pdf) sul sito http://climeg.poliba.it.
[2] Lozza G., Turbine a gas e cicli combinati, Soc. Editrice Esculapio s.r.l., Bologna.
[3] Stecco S., Impianti di Conversione Energetica, Pitagora Editrice Bologna.
[4] G,Cau, D.Cocco, L’Impatto Ambientale dei Sistemi Energetici, SGE Padova.
[5] C.Caputo, L’Impatto delle Macchine sull’Ambiente, Masson Milano
[6] M. Vio, Impianti di Cogenerazione, Editore Delfino Redecesio d Segrate (Mi)
[7] E.Macchi, S.Campanari, P.Silva, La micro generazione a gas naturale, Polipress, Politecnico di Milano.
ULTERIORI TESTI SUGGERITI:
[1] Wark K., “Advanced Thermodynamics for Engineers”, Mc Graw Hill.
[2] Horlock J.H., Combined Power Plants, Pergamon Press
[3] Kotas T. J., “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis”, Ed. Krieger Pub. Company, Florida
[4] Turns, S.R. “An Introduction to Combustion”. McGraw-Hill, 1996.
[5] P. O’Callaghan, “Energy Management”, Mc-Graw Hill Book Co.
Main field(s) of study for the qualification: First degree course:
Academic year:
Industrial engineering
Type of formative
activity:
Caratterizzante
Title of subject:
Energy System II
Discipline:
Mechanical
Engineering
Code:
XXXXX
Mechanical engineering
Scientific Discipline Sector:
Sistemi per l’Energia e
l’Ambiente (ING-IND/09)
Type of subject:
compulsory subject
2010 – 2011
ECTS Credits:
6
Year:
2 nd year
Semester:
2 nd
semester
LECTURER:
Bernardo Fortunato
HOURS OF INSTRUCTION
Theory (t): 40 hours. Numerical applications (e): 16 hours.
PREREQUISITES:
Fundamentals of Fluid-dynamics, Energy Systems, Fluid Machinery.
AIMS:
To acquire abilities in the field of modern systems of energy conversion; develop the ability to design electricity
production plants and analyse their performance both in nominal conditions and when carrying out other tasks.
Use of software for designing complex energy plants.
PROGRAMME:
1. Energy sources (4t): Energy consumption and availability of fossil energy sources. Centralised and
distributed power generation. Electric power demand.
2. Renewable energy sources (2t): Review of solar, wind, geo-thermal, see, biomass energies.
3. Combustion in energy systems (2t): Fuels and their properties. Definition of Lower and Higher Heating
Values. Chemical reactions. Energy balance of a chemical reaction.
4. Pollutant emissions (2t) Pollutant emitted by combustion process and environment impact. Measurement
units of pollutants. Low-NOx combustion technologies. After-treatment of flue gas.
5. Exergia (2t; 2e): Definitions and applications.
6. Joule cycle performance in design and off-design conditions (6t, 4e). Evaluation of the performance
characteristics. Heavy duty and aeroderivative gas turbines . Overview of the main characteristics.
Technology development and performance. Axial flow compressors. Combustion chamber. Axial flow

turbines. Cooling system techniques. Micro-gas turbines. Mathematical models for performance analysis.
Off-design performance and regulation.
7. Innovative cycles (2t;2e). STIG and other evaporative cycles.
8. Combined cycle gas turbines and repowering (5t; 2e): overview of different combined cycle layouts.
Fired and unfired schemes. Single and multiple pressure levels. Heat recovery boiler. Duct burner.
Performance analysis. Novel cycles: STIG and other evaporative cycles. Repowering of existing steam
power plants. Integrated coal gasification combined cycles. Advanced cycles with CO2 sequestration.
9. Co-generation plants (5t, 4e). Primary Energy Saving (PES). Co-generation by means of gas turbines and
internal combustion engines. Trigeneration.
10. Boiler and condenser of a steam plant (3t,2e). Description of different boilers. Heath exchange
mechanism: conduction, convection, radiation.
11. Fuel Cells and Hydrogen Power (3t): Theory and classification of the main fuel cell types.
Thermodynamics of a fuel cell. Ideal performance. Acutal performance and fuel cell efficiency. Hybrid fuel
cell-gt micro gas turbine schemes. Hydrogen production from fossil fuels and renewable sources.
12. Nuclear energy (4t): The concept of a nuclear chain reaction. Schemes of nuclear fission reactors as power
sources. Nuclear safety.
TEACHING METHODS:
Lectures supported by the use of a computer and a projector; personalized feedback and coaching to improve
student's work.
EXPECTED KNOWLEDGES AND SKILLS:
At the end of the course, the students will have a good knowledge of the main technical characteristics of a
modern thermal power plant, will be able to design its main components and to estimate its performance by
using modern simulation tools.
TEACHING AIDS:
PC, 1 projector, lecture notes; software for power plants performance analysis.
EXAMINATION METHOD:
Written examination divided into two parts: theory and applications. Final project work.
BIBLIOGRAPHY:
[1] Dispense didattiche disponibili in formato elettronico (pdf) sul sito http://climeg.poliba.it.
[2] Lozza G., Turbine a gas e cicli combinati, Soc. Editrice Esculapio s.r.l., Bologna.
[3] Stecco S., Impianti di Conversione Energetica, Pitagora Editrice Bologna.
[4] G,Cau, D.Cocco, L’Impatto Ambientale dei Sistemi Energetici, SGE Padova.
[5] C.Caputo, L’Impatto delle Macchine sull’Ambiente, Masson Milano
[6] M. Vio, Impianti di Cogenerazione, Editore Delfino Redecesio d Segrate (Mi)
[7] E.Macchi, S.Campanari, P.Silva, La micro generazione a gas naturale, Polipress, Politecnico di Milano.
FURTHER BIBLIOGRAPHY:
[1] Wark K., “Advanced Thermodynamics for Engineers”, Mc Graw Hill.
[2] Horlock J.H., Combined Power Plants, Pergamon Press
[3] Kotas T. J., “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis”, Ed. Krieger Pub. Company, Florida
[4] Turns, S.R. “An Introduction to Combustion”. McGraw-Hill, 1996.
[5] P. O’Callaghan, “Energy Management”, Mc-Graw Hill Book Co.