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Il corso impartisce i principi e le nozioni fondamentali dell’analisi exergetica, della conversione diretta dell’energia, dell’uso dell’energia nucleare, delle fonti fossili e rinnovabili e del loro utilizzo razionale anche allo scopo del risparmio energetico.
Il corso mira a fornire le nozioni fondamentali dell’analisi exergetica, per ottimizzare i componenti delle macchine e gli impianti termici e di potenza minimizzando le perdite exergetiche, nonché a fornire una panoramica sulle varie fonti energetiche, sia fossili che rinnovabili e sul loro utilizzo razionale, anche allo scopo del risparmio energetico.
Argomenti delle lezioni: 1. Analisi exergetica. Richiami di Termodinamica. Relazione di Gouy-Stodola. Produzione di entropia in sistemi chiusi ed aperti. Lavoro massimo in una reazione chimica. Scatola di equilibrio di Van’t Hoff. Potenziale chimico. Concetto di exergia. Exergia termica, exergia fisica di un fluido in moto e per un sistema chiuso, exergia chimica. Equazioni di bilancio exergetico per sistemi aperti e chiusi. Rendimento exergetico. Applicazioni varie. 2. Combustione. Primo principio della termodinamica applicato alle reazioni chimiche. Energia interna ed entalpia di formazione. Potere calorifico inferiore e superiore. Temperatura adiabatica di fiamma. Entropia assoluta di un gas. Perdita di exergia nelle reazioni chimiche. Equilibrio chimico e costante di reazione. 3. Conversione diretta dell’energia. Termoelettricità. Generazione termoelettrica. Generazione termoionica. Generazione magnetoidrodinamica. Celle a combustibile. Celle fotovoltaiche. 4. Fonti di energia. Le fonti fossili: carbone, petrolio e gas naturale. La fonte nucleare: principi di fisica del reattore, fissione e fusione, vari tipi di reattori nucleari. Energia solare. Energia da rifiuti e biomasse. 5. Fabbisogni di energia. Consumi energetici nazionali, europei e mondiali. Emissione di anidride carbonica da combustione. Risparmio energetico. Argomenti delle esercitazioni: Calcoli di exergia chimica, di poteri calorifici e di temperatura adiabatica di fiamma. Analisi exergetica di un impianto frigorifero. Analisi exergetica di un impianto di potenza a vapore. Calcolo di un generatore termoelettrico e termoionico. Calcoli di previsione di consumi energetici globali ed elettrici. Calcoli di emissione di anidride carbonica. Argomenti delle attività di laboratorio: Esperienze sugli effetti termoelettrici. Visita all’impianto fotovoltaico del Dipartimento, rilievi ed elaborazioni di dati sperimentali.
Lezione Frontale. Le lezioni e le esercitazioni sono erogate in aula mediante l'ausilio di computer connesso con videoproiettore. Le esrcitazioni di laboratorio sono erogate nel laboratorio didattico di Fisica Tecnica. Allo studente viene dato un ulteriore supporto alla didattica mediante una sezione e- learning tramite il sito web: icampus.dimeg.it Qualora le esigenze sanitarie renderanno necessario l’erogazione della didattica in modalità a distanza, ci si atterrà alle indicazioni generali di ateneo. Verosimilmente verranno svolte lezioni in modalità sincrona seguendo le indicazioni dell’orario ufficiale con la possibilità di registrazione e fruizione in modalità asincrona per gli studenti. Le piattaforme impiegate saranno quelle indicate e scelte dall’ateneo, come ad esempio Microsoft Teams. In tal caso verrà creato un canale dedicato al corso all’interno del quale verranno condivisi materiale didattico e project work
Lo studente deve dimostrare di aver acquisito la conoscenza delle nozioni fondamentali dell’analisi exergetica, per ottimizzare i componenti delle macchine e gli impianti termici e di potenza minimizzando le perdite exergetiche, la conoscenza delle varie fonti energetiche, sia fossili che rinnovabili ed il loro utilizzo razionale, anche allo scopo del risparmio energetico. Dev’essere in grado di applicare le sue conoscenze mostrando abilità nella comprensione e soluzione di problemi riguardanti le macchine termiche e le analisi exergetiche. Deve saper interpretare i dati ritenuti utili, trarre le proprie conclusioni e comunicare i risultati con correttezza, alto grado di autonomia e capacità di sintesi. La misurazione dell’apprendimento avviene mediante l’attribuzione di un voto finale che si basa sui risultati ottenuti nella prova orale. Sulla base delle conoscenze teoriche e dei problemi già risolti in aula durante le ore di esercitazione, lo studente deve rispondere correttamente in merito ai casi studio proposti. La prova orale intende verificare se è stato acquisito il corretto linguaggio tecnico, la capacità di analisi critica e di giudizio, valutando anche il livello di conoscenza dei contenuti metodologici del corso. Durante la prova orale, della durata media di 30 min., allo studente viene chiesto di rispondere a 4 specifiche domande proposte dal docente, riguardanti argomenti del programma. Per superare la prova occorre rispondere, in modo chiaro, corretto e completo, ad almeno 3 degli argomenti proposti. Le modalità operative di conduzione dell’eventuale esame on-line si baseranno sulle indicazioni definite dalle relative Linee Guida dell’Ateneo, ma comunque verosimilmente prevederanno sempre una prova scritta e un orale.
V. Marinelli, M. Cucumo, D. Kaliakatsos. ENERGETICA, Pitagora Editrice, Bologna, 2006.
E' previsto un confronto su tracce modalità d'esame ed impegno studente con il prof. Cucumo
ARGOMENTI DELE LEZIONI 1.Analisi exergetica. Richiami di Termodinamica. Relazione di Gouy-Stodola. Produzione di entropia in sistemi chiusi ed aperti. Lavoro massimo in una reazione chimica. Scatola di equilibrio di Van’t Hoff. Potenziale chimico. Concetto di exergia. Exergia termica, exergia fisica di un fluido in moto e per un sistema chiuso, exergia chimica. Equazioni di bilancio exergetico per sistemi aperti e chiusi. Rendimento exergetico. Applicazioni varie. MATERIALE: Libro di testo LEZIONI: 8 STUDIO: 2O 2.Combustione. Primo principio della termodinamica applicato alle reazioni chimiche. Energia interna ed entalpia di formazione. Potere calorifico inferiore e superiore. Temperatura adiabatica di fiamma. Entropia assoluta di un gas. Perdita di exergia nelle reazioni chimiche. Equilibrio chimico e costante di reazione. MATERIALE: Libro di testo LEZIONI: 6 STUDIO: 15 3.Conversione diretta dell’energia. Termoelettricità. Generazione termoelettrica. Generazione termoionica. Generazione magnetoidrodinamica. Celle a combustibile. Celle fotovoltaiche. MATERIALE: Libro di testo LEZIONI: 8 STUDIO: 20 4.Fonti di energia. Le fonti fossili: carbone, petrolio e gas naturale. La fonte nucleare: principi di fisica del reattore, fissione e fusione, vari tipi di reattori nucleari. Energia solare. Energia da rifiuti e biomasse. MATERIALE: Libro di testo LEZIONI: 4 STUDIO: 10 5.Fabbisogni di energia. Consumi energetici nazionali, europei e mondiali. Emissione di anidride carbonica da combustione. Risparmio energetico. MATERIALE: Libro di testo LEZIONI: 3 STUDIO: 7,5 ARGOMENTI DELLE ESERCITAZIONI Calcoli di exergia chimica, di poteri calorifici e di temperatura adiabatica di fiamma. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 4 STUDIO: 4 Analisi exergetica di un impianto frigorifero. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 4 STUDIO: 4 Analisi exergetica di un impianto di potenza a vapore. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 5 STUDIO: 5 Calcolo di un generatore termoelettrico e termoionico. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 4 STUDIO: 4 Calcoli di previsione di consumi energetici globali ed elettrici. Calcoli di emissione di anidride carbonica. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 3 STUDIO: 3 Calcoli di emissione di anidride carbonica. MATERIALE: Libro di testo ESERCITAZIONI: 2 STUDIO: 2 ARGOMENTI DI LABORATORIO Argomenti delle attività di laboratorio: Esperienze sugli effetti termoelettrici. Visita all’impianto fotovoltaico del Dipartimento, rilievi ed elaborazioni di dati sperimentali. LABORATORIO: 5
The aim of the course is to provide the basis of the exergetic analysis, to optimize the components of machines and systems for thermal and power plants, minimizing the exergetic losses, as well as providing an overview of the various energy sources, both fossil and renewable and their rational use, also for the purpose of saving energy.
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
The aim of the course is to provide the basis of the exergetic analysis, to optimize the components of machines and systems for thermal and power plants, minimizing the exergetic losses, as well as providing an overview of the various energy sources, both fossil and renewable and their rational use, also for the purpose of saving energy.
Course topics: 1. Exergetic analysis. Elements of Thermodynamics. Relation of Gouy-Stodola. Entropy production in closed and open systems. Maximum work in a chemical reaction. Equilibrium box of Van't Hoff. Chemical potential. Exergy concepts. Thermal exergy, physical exergy of a moving fluid and for a closed system, chemical exergy. Exergetic balance equations for open and closed systems. Exergetic efficiency and various applications. 2. Combustion. First law of thermodynamics applied to chemical reactions. internal energy and enthalpy of formation. Lower and higher calorific values. Adiabatic flame temperature. Absolute entropy of a gas. Loss of exergy in chemical reactions. Chemical equilibriun and reaction constant. 3. Direct conversion of energy. Thermoelectricity. Thermoelectric generation. Thermionic generation. Magnetohydrodynamics generation. Fuel cells. Photovoltaic cells. 4. Renewable energy sources. Fossil fuels: coal, oil and natural gas. The nuclear source: physical principles of the reactor, fission and fusion, various types of nuclear reactors. Solar power. Energy from waste and biomass. 5. Requirements of energy. National energy consumptions, in Europe and worldwide. Emission of carbon dioxide from combustion. Energy saving. Exercise topics: Calculations of chemical exergy, calorific values and adiabatic flame temperatures. Exergetic analysis of a refrigeration system. Exergetic analysis of a steam power plant. Calculation of a thermoelectric and thermionic generator. Estimates of global and electrical energy consumptions. Calculations of emission of carbon dioxide (in Italy and in the world). Preparation of an individual notebook of exercises. Topics of laboratory activities: Experiences on thermoelecric effects. Visit to the PV Department plant, surveys and processing experimental data.
Direct Lesson. Lessons and exercises are delivered in the classroom with the aid of a computer connected to a video projector. Laboratory exercises are provided in the Technical Physics teaching laboratory. The student is given a further support to the teaching through a section e-learning through the website: icampus.dimeg.it If the pandemic emergency will require the remote learning, the lectures will be performed according to the guide lines of the University. Actually, the synchronous mode will be preferred with the coupled registration of the lectures so that the asynchronous possibility will be left to students. If the Microsoft Teams platform will be chosen by the University, a dedicated Team will be created and used to share files, documents, and project works.
The student must demonstrate that he has acquired knowledge of the basics of exergy analysis, to optimize the components of machines and thermal and power systems by minimizing exergy losses, knowledge of various energy sources, both fossil and renewable and their rational use, also for the purpose of energy saving. He must be able to apply his knowledge showing ability in understanding and solving problems concerning thermal machines and exergetic analysis. He must be able to interpret the data considered useful, draw his own conclusions and communicate the results with correctness, high degree of autonomy and ability to synthesize. The measurement of learning takes place through the attribution of a final grade based on the results obtained in the oral test. On the basis of theoretical knowledge and problems already solved in the classroom during the practice hours, the student must respond correctly to the proposed case studies. The oral test aims to verify whether the correct technical language has been acquired, the capacity for critical analysis and judgment, also assessing the level of knowledge of the methodological content of the course. During the oral test, lasting an average of 30 minutes, the student is asked to answer 4 specific questions proposed by the teacher, concerning topics of the program. To pass the test, students must answer at least 3 of the proposed topics in a clear, correct and complete manner. The operating procedures for conducting any online exam are based on the indications defined by the relevant University guidelines
V. Marinelli, M. Cucumo, D. Kaliakatsos. ENERGETICA, Pitagora Editrice, Bologna, 2006.
A comparison is planned with Prof. Cucumo on the tracks of the examination modalities and student commitment.
COURSE TOPICS: 1. Exergetic analysis. Elements of Thermodynamics. Relation of Gouy-Stodola. Entropy production in closed and open systems. Maximum work in a chemical reaction. Equilibrium box of Van't Hoff. Chemical potential. Exergy concepts. Thermal exergy, physical exergy of a moving fluid and for a closed system, chemical exergy. Exergetic balance equations for open and closed systems. Exergetic efficiency and various applications. MATERIAL:Textbooks LECTURE 8 STUDY: 20 2. Combustion. First law of thermodynamics applied to chemical reactions. internal energy and enthalpy of formation. Lower and higher calorific values. Adiabatic flame temperature. Absolute entropy of a gas. Loss of exergy in chemical reactions. Chemical equilibriun and reaction constant. MATERIAL:Textbooks LECTURE 6 STUDY: 15 3. Direct conversion of energy. Thermoelectricity. Thermoelectric generation. Thermionic generation. Magnetohydrodynamics generation. Fuel cells. Photovoltaic cells. MATERIAL:Textbooks LECTURE 8 STUDY: 20 4. Renewable energy sources. Fossil fuels: coal, oil and natural gas. The nuclear source: physical principles of the reactor, fission and fusion, various types of nuclear reactors. Solar power. Energy from waste and biomass. MATERIAL:Textbooks LECTURE: 4 STUDY: 10 5. Requirements of energy. National energy consumptions, in Europe and worldwide. Emission of carbon dioxide from combustion. Energy saving. MATERIAL:Textbooks LECTURE: 3 STUDY: 7,5 ARGOMENTI DELLE ESERCITAZIONI Calculations of chemical exergy, calorific values and adiabatic flame temperatures. MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 4 STUDY: 4 Exergetic analysis of a refrigeration system. MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 4 STUDY: 4 Exergetic analysis of a steam power plant. MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 5 STUDY: 5 Calculation of a thermoelectric and thermionic generator. MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 4 STUDY: 4 Estimates of global and electrical energy consumptions. MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 3 STUDY: 3 Calculations of emission of carbon dioxide (in Italy and in the world). MATERIAL:Textbooks EXERCISE: 2 STUDY: 2 Topics of laboratory activities: Experiences on thermoelecric effects. Visit to the PV Department plant, surveys and processing experimental data. LABORATORY: 5