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Fabrizio PALTRINIERI

Professore Associato
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria

Insegnamento: Macchine e Sistemi Energetici

Ingegneria informatica (D.M.270/04) -Sede di Mantova (Offerta formativa 2023)

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire le conoscenze e le competenze di base per la comprensione delle principali caratteristiche costruttive e modalità di funzionamento dei sistemi per la conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili.
Al termine dell'insegnamento di “Macchine e Sistemi Energetici” lo studente dovrebbe essere in grado di:
- conoscere e comprendere le principali caratteristiche tecniche e funzionali delle più importanti tipologie di impianti per la conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili e dei loro componenti fondamentali (impianti a vapore con ciclo a condensazione; impianti termici con turbina a gas; impianti combinati gas-vapore; impianti di cogenerazione; impianti eolici, idroelettrici, solari, geotermici e per la conversione dell’energia delle biomasse, del moto ondoso e delle maree);
- applicare le conoscenze e le capacità di comprensione acquisite per identificare, descrivere, analizzare e valutare le caratteristiche funzionali e i parametri prestazionali relativi alle diverse tipologie dei suddetti sistemi per la conversione dell’energia e dei loro componenti;
- comunicare efficacemente nozioni, concetti e modelli relativi alle principali tipologie di sistemi per la conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili, per applicazioni nel settore degli impianti per la produzione di energia elettrica.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo.

Prerequisiti

Conoscenze di base relative alle nozioni e ai concetti fondamentali della Fisica Tecnica, della Fluidodinamica Industriale e del Disegno Meccanico.
Più in dettaglio, gli studenti dovranno conoscere le definizioni delle principali grandezze fisiche e dei raggruppamenti adimensionali impiegati in fluidodinamica (pressione, velocità, densità, portata massica e volumetrica, numero di Reynolds e di Froude), con le relative unità di misura, e le caratteristiche fondamentali delle diverse tipologie di moto dei fluidi (laminare, turbolento e transizionale).
Inoltre, dovranno essere in grado di leggere e di interpretare correttamente lo schema di layout di un impianto e il disegno tecnico di un assieme o di un componente meccanico e di saperne identificare e comprendere le caratteristiche costruttive e funzionali.

Programma del corso

Il numero delle ore di lezione dedicate ai singoli argomenti dell’insegnamento è da intendersi come puramente indicativo. Infatti, durante lo svolgimento delle lezioni del corso, ci potranno essere delle variazioni sulla base delle interazioni con gli studenti.
- Introduzione al corso e richiami generali di termodinamica e di fluidodinamica (8 ore): la struttura del sistema energetico e le fonti di energia in Italia e nel mondo. Equazioni generalizzate del moto dei fluidi: forma termica e forma meccanica. Equazione di Bernoulli. Diagrammi termodinamici. Cicli termodinamici: definizioni generali e formula per il calcolo del rendimento termodinamico di un ciclo generico. Analisi del processo di espansione del fluido nelle turbine e del processo di compressione del fluido nei compressori. Scambiatori di calore a superficie unidirezionali.
- Impianti a vapore con ciclo a condensazione (12 ore): presentazione e descrizione dettagliata dello schema di layout, del ciclo termodinamico di riferimento, dei principali componenti e delle modalità di funzionamento di un impianto a vapore base, con ciclo a condensazione. Potenza utile erogata ai morsetti dell’alternatore e rendimento globale dell’impianto. Ottimizzazione del rendimento termodinamico del ciclo. Cicli a vapore con risurriscaldamento intermedio e cicli rigenerativi (a spillamenti). Impianto a vapore con tre spillamenti.
- Impianti termici con turbina a gas (12 ore): presentazione e descrizione dettagliata dello schema di layout, del ciclo termodinamico di riferimento, dei principali componenti e delle modalità di funzionamento di un impianto termico con turbina a gas. Il ciclo termodinamico di Brayton: trasformazioni termodinamiche e valutazioni energetiche. Rendimento globale degli impianti termici con turbina a gas. Gruppi turbogas con recupero di calore. Modalità di regolazione della potenza erogata e gruppi turbogas su due assi. Cicli con post-combustione e con compressione frazionata.
- Impianti combinati gas-vapore (8 ore): presentazione e descrizione dettagliata dello schema di layout, del ciclo termodinamico di riferimento, dei principali componenti e delle modalità di funzionamento di un impianto combinato gas-vapore ad un livello di pressione di vaporizzazione. Diagramma di scambio termico ed efficienza di scambio termico della caldaia a recupero (HRSG). Rendimento globale di un impianto combinato gas-vapore. Ciclo combinato gas-vapore con post-combustione e a due livelli di pressione di vaporizzazione.
- Impianti di cogenerazione (8 ore): definizione del concetto di cogenerazione e classificazione delle principali tipologie di sistemi di cogenerazione. Definizione dei principali parametri prestazionali degli impianti cogenerativi: rendimenti e indici caratteristici. Presentazione e descrizione dettagliata degli schemi di layout, dei cicli termodinamici di riferimento e delle modalità di funzionamento degli impianti cogenerativi con turbina a vapore (a contro-pressione e a derivazione), con turbina a gas e a ciclo combinato gas-vapore.
- Sistemi di conversione dell’energia da fonti rinnovabili (4 ore): presentazione delle caratteristiche tecniche e delle modalità di funzionamento delle principali tipologie di sistemi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Sistemi per l’accumulo dell’energia in forma meccanica, elettrica, chimica e termica.
- Esercitazioni (20 ore): esercitazioni pratiche al computer, finalizzate allo sviluppo e alla validazione di fogli di calcolo e semplici programmi informatici per l’analisi del funzionamento e per la stima e la valutazione comparativa dei principali parametri prestazionali dei sistemi di conversione dell’energia presentati e analizzati durante le lezioni del corso.

Metodi didattici

L'insegnamento si svolge in presenza ed è erogato in lingua italiana. I metodi didattici comprendono:
- lezioni frontali, aventi per oggetto i contenuti teorici del corso, che vengono svolte mediante l’ausilio di mezzi audiovisivi (principalmente presentazioni con slides dotate di animazioni);
- esercitazioni pratiche al computer, finalizzate allo sviluppo e alla validazione di fogli di calcolo e semplici programmi informatici per l’analisi del funzionamento e per la stima e la valutazione comparativa dei principali parametri prestazionali dei sistemi di conversione dell’energia presentati e analizzati durante le lezioni del corso.
La frequenza alle lezioni frontali teoriche e alle esercitazioni pratiche al computer è facoltativa.
Inoltre, previo appuntamento concordato tramite e-mail, il docente del corso riceve gli studenti per fornire chiarimenti e tutoraggio personalizzato.

Testi di riferimento

Testi di riferimento:
1) G. Cantore - “Macchine” - Casa editrice: Società Editrice Esculapio, Bologna - 1999 - ISBN: 9788874886500.
2) D. Cocco, P. Puddu - “Tecnologie delle Energie Rinnovabili” - Casa editrice: libreriauniversitaria.it Edizioni, Padova - 2022 - ISBN: 978-88-3359-451-4.
3) S. Sandrolini, G. Naldi - “Macchine. Vol. 3: Gli Impianti Motori Termici e i loro Componenti” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 2004 - ISBN: 88-371-1317-X.
4) G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto - “Sistemi Energetici e Macchine a Fluido. Vol. 1” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 2009 - ISBN: 88-371-1761-2.

Inoltre, durante lo svolgimento del corso e nel rispetto dei diritti d’autore, il docente metterà a disposizione degli studenti presentazioni, appunti e dispense che costituiranno parte integrante del programma di esame. Questo ulteriore materiale didattico sarà caricato sulla piattaforma integrata di Ateneo per la didattica, Teams-Moodle (https://moodle.unimore.it).

Ulteriori testi di consultazione:
1) M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto - “Sistemi energetici. Vol. 2 - Complementi” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 2008 - ISBN: 88-371-1755-8.
2) M. Bianchi, A. De Pascale, A. Gambarotta, A. Peretto - “Sistemi Energetici. Vol. 3 - Impatto Ambientale” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 2008 - ISBN: 88-371-1754-X.
3) S. Sandrolini, G. Naldi - “Macchine. Vol. 1: Fluidodinamica e Termodinamica delle Turbomacchine” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 1996 - ISBN: 88-371-0827-3.
4) S. Sandrolini, G. Naldi - “Macchine. Vol. 2: Le Turbomacchine Motrici e Operatrici” - Casa editrice: Pitagora Editrice, Bologna - 2019 - ISBN: 88-371-2106-8.

Verifica dell'apprendimento

L'esame si svolgerà al termine dell’insegnamento, secondo il calendario ufficiale degli appelli d’esame che, con congruo anticipo, sarà pubblicato dal docente del corso sul sito Esse3 (https://www.esse3.unimore.it). La prova finale unica dovrà essere svolta dai candidati in forma scritta, utilizzando esclusivamente i fogli protocollo a quadretti messi a disposizione dal docente, e, normalmente, sarà caratterizzata da una durata massima di due ore.
La prova d’esame sarà costituita da quattro quesiti, tre teorici ed uno numerico, volti a verificare il conseguimento, da parte dello studente, dei risultati di apprendimento attesi al termine del corso. Per quanto attiene ai tre quesiti teorici, il candidato dovrà fornire risposte aperte in forma di testo, eventualmente corredato anche da disegni, tabelle, schemi e relazioni analitiche. Il quesito numerico sarà, invece, finalizzato al calcolo dei principali parametri operativi e prestazionali di uno dei sistemi di conversione dell’energia presentati e analizzati durante le lezioni del corso. Durante l'esecuzione della prova, al candidato non sarà permessa la consultazione di appunti, libri, dispense e/o manuali. Sul testo della prova d'esame saranno indicati i punteggi massimi che potranno essere ottenuti, rispondendo correttamente a ciascuno dei suddetti quattro quesiti.
Gli indicatori di valutazione della prova sono costituiti da:
- capacità di utilizzare e di collegare le conoscenze;
- capacità di discutere e di approfondire gli argomenti;
- padronanza della terminologia tecnica del settore;
- capacità di sintesi, ordine e chiarezza espositiva;
- capacità di applicare correttamente una relazione analitica appresa.
Il voto conseguito al termine dell’esame sarà dato dalla somma dei punteggi ottenuti per ciascuno dei quattro quesiti proposti (un punteggio uguale o superiore a 31 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode). I risultati finali della prova saranno comunicati dal docente entro e non oltre una settimana a partire dalla sua data di esecuzione e la loro pubblicazione avverrà tramite il sito Esse3.

Risultati attesi

1) Conoscenza e capacità di comprensione
- Conoscere, elencare e descrivere la classificazione delle diverse tipologie di sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili e le relative caratteristiche tecniche, funzionali e prestazionali.
- Leggere lo schema di layout di un sistema di conversone dell’energia, rappresentato seguendo le indicazioni proprie della normativa tecnica di riferimento, identificandone i principali componenti.
- Leggere il disegno costruttivo di una macchina o di un componente, comunemente impiegato negli impianti per la conversione dell’energia, sapendone identificare l’architettura costruttiva, gli elementi costitutivi e le loro funzioni fondamentali.
- Conoscere le relazioni analitiche utili per studiare il funzionamento e valutare le prestazioni dei sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili.

2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate
- Riconoscere e identificare chiaramente la struttura generale e le funzioni fondamentali delle principali tipologie dei sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili.
- Selezionare le tipologie delle macchine e dei componenti più idonei da impiegare all’interno dei sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili, in funzione delle specifiche tecniche di progetto e delle normative tecniche di riferimento del settore di applicazione.
- Applicare semplici relazioni analitiche per studiare il funzionamento e per stimare le prestazioni, in condizioni stazionarie, delle principali tipologie dei sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili.

3) Autonomia di giudizio
- Analizzare e valutare le soluzioni impiantistiche e progettuali più idonee al fine di ottimizzare il funzionamento e le prestazioni delle principali tipologie di sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili.
- Esprimere un giudizio critico sui fattori fondamentali che possono causare le principali problematiche di funzionamento tipiche di un sistema di conversione dell’energia e dei componenti dei quali è composto.

4) Abilità comunicative
- Conoscere la terminologia tecnica più idonea per descrivere in modo corretto e appropriato: il layout e la struttura di un sistema di conversione dell’energia e le caratteristiche tecniche e funzionali dei componenti dei quali è composto; l’architettura costruttiva e le modalità di funzionamento delle principali tipologie di macchine e di componenti di un sistema di conversione dell’energia.
- Esprimere in modo corretto e logico le proprie conoscenze, riconoscendo l’argomento richiesto e rispondendo in modo puntuale e completo alle domande d’esame.

5) Capacità di apprendere
- Applicare le conoscenze e le capacità di comprensione apprese per analizzare e valutare criticamente le caratteristiche tecniche, le modalità e le problematiche di funzionamento, i parametri prestazionali tipici di altri sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili e rinnovabili, non trattati nell’ambito del corso, ma collegati a quelli oggetto dell’insegnamento.
- Aggiornare in autonomia le conoscenze e le capacità di comprensione relative all’architettura costruttiva, alle caratteristiche tecniche, alle modalità di funzionamento e ai parametri prestazionali dei sistemi di conversione dell’energia, alla luce delle evoluzioni in atto e dei cambiamenti che si verificheranno in ambito scientifico, tecnologico e delle normative tecniche del settore.