Obiettivi Formativi

Far acquisire conoscenze su: (a) principi di conversione e trasmissione dell’energia, (b) principi di funzionamento degli impianti termici nel settore civile ed industriale (c) fonti di energia rinnovabili e riduzione dei consumi energetici (d) metodologie di dimensionamento dei sottosistemi energetici costitutivi; (e) strumenti progettuali e metodologie operative in campo industriale che civile; (f) metodologie di analisi ambientale in spazi confinati finalizzati al benessere dell’uomo. Far acquisire la piena conoscenza dei dispositivi per la produzione, l’utilizzo e la conversione dell’energia focalizzandosi sui sistemi aperti. Far acquisire la capacità di applicare le metodologie di risoluzione più adeguate al dimensionamento e alla gestione dei più comuni apparati per la conversione di energia e di correlare il funzionamento di ogni singola macchina con le trasformazioni termodinamiche di riferimento. Far acquisire la capacità di scegliere soluzioni impiantistiche che soddisfino i requisiti ambientali (climatizzazione, illuminazione ed acustica), per il benessere dell’uomo (comfort termico, qualità dell’aria, comfort visivo, comfort acustico, ergonomia dell’ambiente confinato) e per la pianificazione energetica ed ambientale e la gestione dei servizi energetici. Far sviluppare la capacità di applicare le conoscenze ingegneristiche acquisite formulando, analizzando e risolvendo, attraverso un metodo scientifico rigoroso, problemi inerenti alle macchine a fluido e i sistemi di conversione dell’energia. Particolare attenzione viene posta alle attività di progettazione/sviluppo pratico dei concetti teorici e all’utilizzo di tecniche e strumenti adeguati all’analisi di esempi pratici. Far acquisire la capacità di individuare autonomamente gli strumenti e le fonti di dati necessarie all'analisi, alla comprensione e alla risoluzione dei problemi pertinenti l'insegnamento anche attraverso l'integrazione delle conoscenze acquisite con appropriate indagini bibliografiche tali da consentire un confronto critico tra le diverse soluzioni possibili. Far acquisire la capacità di interloquire con linguaggio tecnico appropriato alla disciplina. Far sviluppare la capacità di elaborazione autonoma dei concetti e di presentazione dei risultati Far acquisire un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche avanzate o settoriali.

Learning Goals

To acquire knowledge on: (a) the principles of conversion and transmission of energy, (b) the operating principles of heating systems in the civil and industrial sector (c) the renewable energy sources and the reduction of energy consumption (d) the methodologies for sizing the constitutive energy subsystems; (e) the design tools and operational methodologies in both industrial and civil fields; (f) the environmental analysis methodologies in confined spaces aimed at the human well-being. To acquire a full understanding of the devices for the production, use and conversion of energy by focusing attention on open systems. To acquire the most appropriate resolution methods for sizing and managing the most commonly used apparatuses of energy conversion systems and to correlate the operative points, for each machine studied, with the reference thermodynamic transformations. To acquire the ability to choose plant solutions to meet environmental requirements (air conditioning, lighting and acoustics), for human well-being (thermal comfort, air quality, visual comfort, acoustic comfort, ergonomics of the confined environment) and for energy and environmental planning and management of energy services. To develop the engineering knowledge acquired by formulating, analysing and solving, through a rigorous scientific method, problems inherent to fluid machines and energy conversion systems. Particular attention is paid to the use of adequate techniques and tools for the analysis of practical examples. To acquire the ability to independently identify the tools and data sources necessary for the analysis, understanding and resolution of problems pertinent to the discipline, also through the integration of the knowledge acquired with appropriate bibliographic surveys such as to allow a critical comparison between the different possible solutions. To acquire the ability to speak with technical language appropriate to the discipline. To develop the capacity for autonomous processing of concepts and presentation of results. To acquire an individual study-method suitable to allow the deepening of knowledge and to face further advanced or sectoral topics.

Metodi didattici

Il corso prevede lo svolgimento di lezioni frontali alla lavagna e di esercitazioni numeriche in classe sia individuali che di gruppo. Nel corso delle lezioni e delle esercitazioni si stimolerà costantemente negli studenti l’analisi critica degli argomenti trattati così che possano verificare il proprio livello di comprensione acquisendo, al contempo, un linguaggio tecnico adeguato e la capacità di applicare le tematiche affrontate.

Teaching Methods

The course includes lectures in the classroom and numerical exercises both individually and in group class. During the lessons and exercises, students will be constantly stimulated for the critical analysis of the topics covered so that they can verify their level of understanding while acquiring an adequate technical language and the ability to apply the issues addressed.

Prerequisiti

Conoscenze di base di Analisi Matematica, Fisica, Geometria e di Fisica Tecnica.

Prerequisites

Basic knowledge of Mathematical Analysis, Physics, Geometry and Thermodynamics.

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento prevede un esame orale. La valutazione della prova viene espressa mediante votazione in trentesimi. La prova consiste nella risoluzione di problemi della stessa tipologia di quelli svolti durante le esercitazioni e nell'esposizione di argomenti vertenti su tutto il programma svolto di cui verrà giudicata la capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza, la capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato, la qualità dell’esposizione, la competenza nell’impiego del lessico specialistico nell'esposizione degli argomenti nonché il rigore metodologico. Per sostenere la prova è consentito l’uso di calcolatrici e tabelle.

Assessment

The assessment of the learning involves an oral exam. The evaluation of the exam is expressed by score out of thirty. The exam consists in solving problems of the same typology of the ones made during the classroom exercitations and in the presentation of arguments on the entire program. During the examination it will be judged the ability to discursively organize knowledge, the critical reasoning skills on the study conducted, the quality of the exposition, the expertise in the use of specialized vocabulary in the presentation as well as the methodological rigor. During the exam the use of calculators and tables is allowed.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000672 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. A ------------------------------------------------------------ -GENERALITA’. Richiami sulla termodinamica dei sistemi chiusi. -SISTEMI APERTI. Primo principio per i sistemi aperti. Caldaie, scambiatori di calore, compressori, pompe, turbine, valvole di laminazione. -TRANSIZIONI DI FASE. Relazioni di Eulero e Gibbs-Duhem. Regola delle fasi. Equazione di Clapeyron. Diagrammi (P,V),(P,T),(T,S),(H,S),(P,H) e tabelle di calcolo. Applicazioni: ciclo Rankine e ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo. -MOTO DEI FLUIDI. Strato limite idrodinamico. Distribuzione degli sforzi nei condotti. Equazione di Bernoullì generalizzata. Calcolo delle perdite di carico distribuite e concentrate. -CONDUZIONE. Legge di Fourier. Equazione generale della conduzione. Flusso termico e distribuzione di temperatura in pareti piane e manicotti cilindrici semplici e multistrato. -CONVEZIONE. Convezione forzata, naturale e mista. Legge di Newton. Metodo dell’analisi dimensionale. -IRRAGGIAMENTO. Riflessione assorbimento e trasmissione. Intensità e grandezze derivate. Legge di Kirchhoff. Corpo nero e corpo grigio. Scambi termici tra superfici nere e grigie. Metodo dell’analogia elettrica. -FORME MISTE. Trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete piana o cilindrica. Raggio critico di isolamento. Alette di raffreddamento. Scambiatori di calore. Metodi di dimensionamento. -CONTROLLO AMBIENTALE DEGLI SPAZI CONFINATI. Trasformazioni dell’aria umida e diagrammi psicrometrici. Bilancio energetico del corpo umano e comfort termoigrometrico. Qualità dell’aria interna e requisiti di ventilazione. Illuminotecnica degli ambienti indoor. Progettazione di un impianto di illuminazione. Psicoacustica. Fonometria. Acustica degli ambienti confinati. -ENERGETICA DELL’EDIFICIO. Trasmittanza termica di pareti opache e trasparenti. Bilancio termico e di massa di un edificio. Carichi termici invernali e estivi. Tipologie impiantistiche per il riscaldamento e la climatizzazione degli ambienti. Impianti integrati per l’utilizzo di energie rinnovabili. Edifici nZEB. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000673 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. B ------------------------------------------------------------ -CONCETTI BASE DELL’ENERGETICA: potenza ed energia, unità di misura, fonti di energia primaria e secondaria, estrazione e conversione dell’energia, efficienze e rese di conversione, reazioni di combustione, potere calorifico e combustibili. Fattori di emissione. -INTRODUZIONE AI PROBLEMI ENERGETICI GLOBALI: I trend globali di produzione di energia e tecnologie energetiche innovative. Le industrie energivore. Carbon Emission Trade Scheme in Europa. -INTRODUZIONE ALL’ANALISI ECONOMICA DEI SISTEMI ENERGETICI IL SISTEMA DI GESTIONE DELL’ENERGIA: la diagnosi energetica, introduzione alla normativa ISO 500001. -BILANCI DI MASSA ED ENERGIA NEI PROCESSI ENERGETICI: analisi energetica di schemi semplificati di processi di conversione dell’energia. Esempi numerici. -COGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE: Produzione combinata dei vettori. Principi di dimensionamento. CAR e i certificati bianchi. Trigenerazione. Macchine frigorifere ad assorbimento. Bilancio energetico. Cicli aperti e combinati. Teleriscaldamento. Valorizzazione energetica delle biomasse. Risoluzione esempi numerici. -INTRODUZIONE ALLA PRODUZIONE DI VAPORE -INTRODUZIONE AL MOTO DEI FLUIDI NEI CONDOTTI. Efflusso nei condotti statorici: principali proprietà ed equazioni. Efflusso fluidi comprimibili nei condotti a sezione variabile. Condotti convergenti, divergenti e convergenti-divergenti. Il flusso nei condotti rotorici: principali proprietà ed equazioni. -INTRODUZIONE ALLE MACCHINE MOTRICI: classificazione delle turbine e principali caratteristiche -CENNI SULLA TEORIA DELLA SIMILITUDINE -INTRODUZIONE ALLE TURBOMACCHINE OPERATRICI: Compressori dinamici. Le curve caratteristiche. Macchine operatrici idrauliche. Caratteristica meccanica. Matching. Condizioni anomale di funzionamento. Ventilatori centrifughi. Turbomacchine operatrici assiali. -COMPRESSORI VOLUMETRICI ALTERNATIVI: Funzionamento limite. Funzionamento reale. Dimensionamento di massima. Regolazione della portata.

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000672 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. A ------------------------------------------------------------ -GENERALITY. Review of the thermodynamics of closed systems. CONTROL VOLUMES. The I law for a control volume. Boilers. Heat exchangers. Compressors. Pumps, Turbines. Throttling valves. -PHASE CHANGES. Eulero and Gibbs-Duhem equations. Phases rule. Clapeyron equation. Diagrams (P,V), (P,T), (T,S), (H,S), (P,H) and calculation tables. Applications: Rankine cycle and vapor compression refrigeration cycle. -FLUIDS MOTION. The hydrodynamic boundary layer. The stresses distribution. The generalized Bernoulli equation. Calculation of distributed and minor losses. -THERMAL CONDUCTION. Fourier law. The heat conduction equation. Heat flux and temperature distribution in simple and composite slabs and cylinders. -THERMAL CONVECTION. Free, forced and mixed convection. Newton law. The dimensional analysis method. -THERMAL RADIATION. Reflection, absorption and transmission. Intensity and derived parameters. Kirchhoff law. The black body. The grey body. Heat transfer between black or grey surfaces. The electrical analogy method. -COMBINED HEAT TRANSFER. Heat transfer between two fluids separated be a plane or cylindrical wall. The critical insulation radius. Fins. Heat exchangers. Design methods. -ENVIRONMENTAL CONTROL OF CONFINED SPACES. Transformations of humid air and psychrometric diagrams. Energy balance of the human body and thermohygrometric comfort. Indoor air quality and ventilation requirements. Indoor lighting technology. Design of a lighting system. Psychoacoustics. Phonometry. Acoustics of confined spaces. -BUILDINGS ENERGY. Thermal transmittance of opaque and transparent walls. Thermal and mass balance of a building. Winter and summer thermal loads. Main systems for the heating and air conditioning of the environments. Integrated systems for the use of renewable energy. nZEB buildings. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000673 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. B ------------------------------------------------------------ -BASIC CONCEPTS OF ENERGETICS: power and energy, units of measurement, primary and secondary energy sources, energy extraction and conversion, conversion efficiencies and yields, combustion reactions, calorific values and fuels. Emission factors. -INTRODUCTION TO GLOBAL ENERGY PROBLEMS: Global trends in energy production and innovative energy technologies. Energy-intensive industries. Carbon Emission Trade Scheme in Europe. -INTRODUCTION TO THE ECONOMIC ANALYSIS OF ENERGY SYSTEMS THE ENERGY MANAGEMENT SYSTEM: energy diagnosis, introduction to the ISO 500001 standard. -MASS AND ENERGY BALANCES IN ENERGY PROCESSES: energy analysis of simplified schemes of energy conversion processes. Numerical examples. -COGENERATION AND TRIGENERATION: Combined energy vector production. Principles of sizing. CAR and White Certificates. Trigeneration. Absorption refrigeration machines. Energy balance. Open and combined cycles. District heating. Energy valorization of biomass. Numerical examples. -INTRODUCTION TO STEAM PRODUCTION -INTRODUCTION TO FLUIDS FLOW IN DUCTS. Flows in stator ducts: main properties and equations. Compressible fluid outflow in variable section ducts. Convergent, divergent and convergent-divergent ducts. Fluid flow in rotor ducts: main properties and equations. -INTRODUCTION TO TURBINES: classification of turbines and main characteristics -NOTES ON THE THEORY OF SIMILITY -INTRODUCTION TO OPERATING TURBOMACHINES: Dynamic compressors. The characteristic curves. Hydraulic operating machines. Mechanical feature. Matching. Abnormal operating conditions. Centrifugal fans. Axial operating turbomachines. -ALTERNATIVE VOLUMETRIC COMPRESSORS: Limit operation. Real operation. Preliminary sizing. Flow rate adjustment.