Macchine e Sistemi Energetici - Programma

Il processo di estrazione del gas naturale dalle rocce di scisto, che ha portato alla riduzione del prezzo del gas negli Stati Uniti e in tutto il mondo.

Le emissioni di sostanze inquinanti nell'aria, acqua o suolo durante l'estrazione, la lavorazione, il trasporto o l'uso di combustibili fossili.

Il rilascio di anidride carbonica (CO2) nell'atmosfera come risultato della combustione dei combustibili fossili.

Lo strato di gas serra che racchiude la Terra, impedendo al calore di fuoriuscire nell'Universo e causando un aumento delle temperature.

Un gruppo di gas che intrappolano il calore nell'atmosfera terrestre, contribuendo al riscaldamento globale. La CO2 è il principale gas serra, ma altri gas come il metano e l'ossido nitroso sono anche importanti.

L'energia nucleare è una fonte di energia che sfrutta la fissione nucleare per generare calore e, successivamente, elettricità. Il processo rilascia un'enorme quantità di energia, molto maggiore rispetto ai combustibili fossili.

L'energia nucleare non produce CO2 durante il processo di generazione di energia, riducendo l'impatto ambientale rispetto ai combustibili fossili. Tuttavia, il problema delle scorie radioattive e il rischio di incidenti nucleari rappresentano sfide significative.

L'energia prodotta da fonti rinnovabili, come l'energia solare, eolica e idroelettrica, sta crescendo rapidamente e rappresenta una parte significativa dell'energia elettrica mondiale. Queste fonti hanno un basso impatto ambientale e contribuiscono a ridurre le emissioni di CO2.

L'energia idroelettrica è una fonte di energia rinnovabile che sfrutta la forza dell'acqua per produrre energia elettrica. La sua caratteristica principale è la programmabilità, ovvero la possibilità di produrre energia a richiesta, a differenza delle fonti eoliche e solari.

L'energia eolica e solare, pur essendo fonti rinnovabili con basso impatto ambientale, sono limitate dalla variabilità dei fattori naturali (vento e sole). Per garantire una produzione costante di energia, è necessario un sistema di stoccaggio o di integrazione con altre fonti di energia.

Le pompe sono macchine che trasferiscono energia al fluido aumentando la sua velocità e convertendola in pressione attraverso un condotto divergente. L'energia del fluido viene aumentata in direzione del moto.

Le pompe volumetiche trasferiscono energia al fluido attraverso il movimento costante di un organo mobile che esercita pressione statica sul fluido.

Un parametro fornito dal produttore della pompa che indica quanto il fluido in un punto specifico dell'impianto è lontano dalla cavitazione. Maggiore è il valore NPSH, minore è il rischio di cavitazione.

Accade quando la pressione del fluido scende al punto di ebollizione, provocando la formazione di bolle di vapore che possono danneggiare la pompa.

L'energia della rete elettrica viene convertita in energia meccanica dal motore, che fa girare la girante. La girante accelera il fluido che, passando attraverso il condotto divergente, viene compresso.

L'NPSH disponibile (NPSHd) è la pressione effettiva disponibile per evitare la cavitazione nel punto di imbocco della pompa, misurata rispetto alla pressione di vapore del fluido.

L'NPSH richiesto (NPSHr) è la pressione minima necessaria per evitare la cavitazione in una pompa, determinata dalle caratteristiche della pompa e dal punto di funzionamento.

Le turbine idrauliche sfruttano l'energia cinetica dell'acqua per far ruotare un alternatore e produrre energia elettrica. A differenza delle pompe, prelevano l'energia dal fluido.

La turbina Pelton è la più comune e viene utilizzata in impianti con elevati dislivelli e basse portate. Il fluido colpisce delle 'scodelle' attaccate alla ruota, generando il movimento.

La turbina Francis è una turbina a reazione che si adatta a diverse condizioni di portata e dislivello, offrendo un buon rendimento e garantendo una maggiore efficienza rispetto alla turbina Pelton.

Gli scambiatori di calore sono dispositivi che permettono il trasferimento di calore tra due fluidi a temperature diverse.

Gli scambiatori a contatto diretto permettono ai due fluidi di essere a contatto diretto, scambiando calore e materia. Questo è possibile se i fluidi sono immiscibili.

Gli scambiatori a miscela mescolano i due fluidi, portandoli alla stessa temperatura.

I baffle sono setti che guidano il flusso del fluido all'interno dello scambiatore di calore, influenzando la fluidodinamica.

La geometria, la compattezza della superficie, il processo di trasferimento del calore, la disposizione dei tubi, il tipo di processo termodinamico sono criteri di classificazione degli scambiatori di calore.

Uno scambiatore di calore di tipo rigenerativo che utilizza un cilindro rotante con settori separati da lamierini ondulati. I fluidi passano attraverso i settori in momenti diversi, garantendo lo scambio termico. Viene impiegato in grandi centrali a vapore.

Un tipo di scambiatore di calore a superficie estesa che utilizza lamiere grecate saldate tra loro per creare la superficie di scambio termico. Le lamiere grecate aumentano la superficie di contatto tra i fluidi, rendendo lo scambio termico più efficiente.

Un tipo di scambiatore di calore a superficie estesa che utilizza tubi alettati per aumentare la superficie di scambio termico.

Un tipo di scambiatore di calore gas-liquido dove la fase liquida cede energia alla fase gassosa, normalmente aria o vapore d'acqua, per ridurre la propria temperatura. Tipico nelle centrali elettriche.

Uno scambiatore di calore in cui il fluido passa attraverso una serie di piastre con canali stretti, creando un'alta superficie di scambio termico. Le piastre possono essere lisce o ondulate.

Il processo di raffreddamento delle pale della turbina in un ciclo a gas, necessario per evitare che si fondano a causa dell'alta temperatura del fluido in uscita dal combustore. La temperatura delle pale non deve superare i 900 °C, mentre il fluido può raggiungere i 1700 °C. Questo raffreddamento si ottiene facendo circolare un flusso d'aria fresca.

Un ciclo termodinamico composto da un compressore, un combustore, una turbina e uno scambiatore di calore. Il fluido di lavoro è generalmente aria o gas, e la combustione avviene all'interno del ciclo. Questo tipo di ciclo è caratterizzato da un'elevata potenza specifica e un'elevata efficienza, ma presenta limiti in termini di prestazioni a basso carico.

Un ciclo termodinamico che utilizza l'acqua come fluido di lavoro. La combustione avviene esternamente al ciclo, il che permette di utilizzare diversi tipi di combustibile, inclusi quelli a basso potere calorifico. Questo tipo di ciclo è caratterizzato da un'alta efficienza, ma presenta limiti in termini di flessibilità e rapidità di risposta.

Un metodo per aumentare l'efficienza di un ciclo a gas utilizzando il calore dei gas di scarico per preriscaldare l'aria in ingresso al combustore. In questo modo, si riduce la quantità di calore che deve essere fornita dal combustibile, migliorando l'efficienza del ciclo.

La capacità di un impianto di variare la sua potenza di output in modo rapido. I cicli a gas sono più flessibili dei cicli a vapore, poiché hanno una minore inerzia termica e quindi possono reagire più rapidamente alle variazioni della domanda di energia.

La quantità di calore che si riesce a recuperare dai fumi di scarico del ciclo a gas. Viene misurata come rapporto tra il calore recuperato e il calore totale disponibile.

Il ciclo combinato a gas e vapore (GVR) è un sistema di produzione di energia elettrica che unisce un ciclo a gas con un ciclo a vapore. I fumi caldi del ciclo a gas sono usati per riscaldare l'acqua, alimentare la turbina a vapore e generare energia.

L'efficienza del ciclo combinato è data dal rapporto tra l'energia elettrica prodotta e l'energia termica fornita al sistema. Richiede un fattore di recupero relativamente alto per massimizzare l'efficienza del ciclo.

La temperatura dei fumi in uscita dalla turbina a gas può raggiungere i 600 gradi Celsius. Questo calore può essere utilizzato per alimentare un ciclo a vapore, aumentando l'efficienza complessiva del sistema.

È fondamentale progettare la caldaia in modo da recuperare il massimo calore dai fumi in uscita dalla turbina a gas. Questo processo ottimizza l'energia elettrica generata dal ciclo combinato.

La produzione simultanea di energia elettrica e termica, dove il calore è l'effetto utile principale, spesso utilizzato in grandi impianti come centri commerciali.

Come la cogenerazione, ma con un bonus: genera anche energia frigorifera. Un esempio è il motore dell'automobile.

Un tipo di cogenerazione in cui il motore è alimentato da combustibile e produce lavoro utile, con il calore recuperato dalla scarica di potenza.

Un tipo di cogenerazione in cui il calore prelevato come effetto utile è usato per far funzionare un processo a bassa temperatura, ad esempio un ciclo Rankine organico.

La massima frazione di energia di prima specie che può essere convertita in lavoro meccanico. Non tutta l'energia è uguale in termini di lavoro estraibile.

L'indice di risparmio energetico (PES) indica quanto un impianto di cogenerazione risparmia energia primaria rispetto alla produzione separata. Un PES maggiore di 1 indica che l'impianto è più efficiente e può accedere agli incentivi.

Il rendimento elettrico di un cogeneratore indica la percentuale di energia elettrica prodotta rispetto all'energia termica fornita. È un indicatore chiave dell'efficienza della conversione energetica.

Il rendimento termico di un cogeneratore indica la percentuale di energia termica utile prodotta dall'impianto. È un altro importante indicatore dell'efficienza complessiva del sistema.

Il rendimento di primo principio di un cogeneratore è un indicatore che tiene conto dell'energia totale prodotta (elettrica e termica), ma non tiene conto della diversa qualità energetica delle due forme. Non è un indicatore rigoroso per valutare l'efficienza.

Il COP (Coefficient of Performance) è un indicatore di efficienza per i frigoriferi e le pompe di calore. Indica il rapporto tra la quantità di calore trasferito (effetto utile) e l'energia consumata.

In un ciclo frigorifero ideale, il calore viene assorbito da un ambiente a bassa temperatura (evaporatore) e rilasciato a un ambiente ad alta temperatura (condensatore). Questo processo non spontaneo richiede l'utilizzo di lavoro per trasferire il calore.

La pompa di calore è un dispositivo che trasferisce calore dall'esterno a un ambiente interno più caldo. Funziona come un frigorifero, ma con l'effetto utile invertito: rilasciare calore anziché assorbirlo.

L'efficienza del ciclo frigorifero o di una pompa di calore dipende dalla differenza di temperatura tra l'ambiente freddo e l'ambiente caldo. Più piccola è la differenza, maggiore è l'efficienza.

In un frigorifero, il fluido refrigerante assorbe calore nell'evaporatore, si espande, e rilascia calore nel condensatore. Questo processo si ripete ciclicamente.

La trigenerazione è un processo che combina la produzione di energia elettrica, calore ed energia frigorifera.

I frigoriferi a compressione usano l'energia elettrica per funzionare, mentre i frigoriferi ad assorbimento sfruttano il calore, come quello generato da un processo cogenerativo.

La trigenerazione è utilizzata per le utenze che richiedono simultaneamente energia elettrica, termica e frigorifera, come ad esempio centri commerciali, ospedali e grandi edifici residenziali.

I frigoriferi ad assorbimento sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli a compressione perché sfruttano il calore residuo per generare aria fredda.

Un frigorifero consuma energia perché è sede di una trasformazione non spontanea: deve essere utilizzato per spostare il calore da un ambiente caldo a uno freddo, contro il flusso termico naturale.