Il corso approfondisce le tecniche di analisi e ottimizzazione di componenti e impianti di conversione dell’energia, con il duplice obiettivo di migliorare le prestazioni energetiche e ridurre i costi di investimento e funzionamento. Il corso ha un taglio fortemente applicativo ed è articolato in lezioni, esercitazioni svolte in aula dal docente ed esercitazioni al calcolatore. Nelle lezioni si illustrano le tecniche di modellazione di componenti e impianti energetici, nonché i metodi di analisi quali la pinch analysis, l’analisi exergetica e l’analisi termoeconomica. Al termine del corso lo studente avrà acquisito la capacità di analizzare componenti e sistemi energetici, identificare le opportunità di miglioramento delle prestazioni energetiche ed economiche agendo sulle variabili geometriche, di progetto e di configurazione e ottimizzare gli stessi. Nel corso delle esercitazioni, verranno svolti esercizi pratici finalizzati a consentire allo studente di famigliarizzare con le tecniche di analisi. Una parte significativa del corso è poi costituita dallo sviluppo di una esercitazione progettuale utilizzando codici di calcolo commerciali per l’analisi di componenti e sistemi termici.

Acquisire conoscenza delle tecniche di design, analisi e ottimizzazione di componenti impianti di conversione energetica dai punti di vista energetici ed economici: analisi exergetica e termoeconomica, valutazione dei costi di componenti e impianti, fondamenti di matematica finanziaria e discounted cash flow analysis, integrazione di processo e pinch analysis, ottimizzazione a singolo obiettivo e multi-obiettivo, design improvement e minima generazione di entropia. Acquisire l’abilità di applicare correttamente le metodologie indicate a impianti di conversione dell’energia

Termodinamica applicata e trasmissione del calore

Introduzione al corso. Breve cenno all’evoluzione degli scenari energetici e alle tematiche di ricerca in ambito energetico, con particolare riguardo agli impianti industriali. Ruolo dell’integrazione, ottimizzazione e design improvement di processi energetici. Caratteristiche di un problema di ottimizzazione. Tecniche di ottimizzazione: metodi diretti e indiretti, algoritmi genetici. (9 h di lezione). Simulazione di componenti energetici: meccanica dei continui; analisi delle equazioni di continuità, conservazione del momento e conservazione dell’energia; significato dei termini delle equazioni; condizioni al contorno e iniziali. Ottimizzazione dei componenti. Minima generazione di entropia. Applicazione a un componente energetico. (12 h di lezione + 9 h di esercitazione di laboratorio). Analisi exergetica. Determinazione dell’equazione dell’energia utilizzabile. L’ambiente di riferimento. Calcolo dell’exergia fisica e chimica. Utilizzi dell’analisi exergetica nel design improvement di impianti energetici. Applicazioni dell’analisi exergetica. Costo exergetico e bilancio di costo. Valutazione del costo totale di investimento di un impianto energetico. Funzioni di costo dei componenti. Fondamenti di matematica finanziaria. Analisi di flussi di cassa attualizzati. Processo di formazione di costo dei prodotti di un impianto. Metodologia di design improvement. Valutazioni di opportunità di razionalizzazione delle risorse di un impianto. Rilevamento dei principali componenti da ottimizzare in condizioni di progetto e funzionamento. (30 h lezione + 12 h esercitazione + 12 h di esercitazione di laboratorio). Il metodo della pinch analysis. Analisi del processo produttivo e determinazione dei vincoli del processo. Individuazione dei principali flussi e costruzione grafica della curva composita. Scelta della minima differenza di temperatura; implicazioni termodinamiche ed economiche. Determinazione del pinch point per via grafica. Calcolo del pinch point per via analitica. Rappresentazione di una rete di scambiatori di calore. Regole per il tracciamento della rete di scambiatori corrispondente al minimo fabbisogno di energia. Cenno alla teoria dei grafi. Determinazione della rete corrispondente al minimo numero di scambiatori di calore. Rilassamento del sistema. Applicazione del metodo della pinch analysis a impianti di produzione industriale ed impianti per la conversione di energia (20 h di lezione + 12 h di esercitazione + 3 h di esercitazione di laboratorio).

Il corso è suddiviso in lezioni teoriche, esercitazioni in aula ed esercitazioni in laboratorio di informatica. Nelle lezioni si illustrano le tecniche di modellazione di componenti e impianti energetici, nonché i metodi di analisi quali la pinch analysis, l’analisi exergetica e l’analisi termoeconomica. Nel corso delle esercitazioni, verranno svolti esercizi pratici finalizzati a consentire allo studente di famigliarizzare con le tecniche di analisi. Una parte significativa del corso è poi costituita dallo sviluppo di una esercitazione progettuale utilizzando codici di calcolo commerciali per l’analisi di componenti e sistemi termici. I codici vengono spiegati durante lezioni svolte in aula o presso i laboratori di informatica ed applicati dagli studenti in gruppi.

Libro di testo: Verda, Guelpa. Metodi termodinamici per l’uso efficiente delle risorse energetiche. Esculapio. Dispense integrative fornite dal docente.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Written test; Group project;

... Modalità di esame: prova scritta; progetto in gruppi; La votazione tiene conto per 24/30 della prova scritta e per la restante parte dell’esercitazione a gruppi. L’esame scritto è composto da due parti: - alcuni esercizi (tipicamente 6, ma il numero dipende dalla complessità di ciascun esercizio), sulla analisi exergetica e termoeconomica e sulla pinch analysis. Tale parte ha lo scopo di valutare la capacità dello studente di applicare le tecniche di analisi viste a lezione ed esercitazione. - alcune domande che vertono sugli aspetti teorici sia delle tecniche di analisi analizzate durante il corso. Tale parte ha lo scopo di valutare le conoscenze acquisite non valutabili attraverso gli esercizi numerici. Gli esercizi hanno tutti peso analogo nella votazione e complessivamente pari a circa 18/24, mentre le domande hanno una votazione complessiva di 6/24. L'esame scritto ha una durata di 2.5 ore e non è possibile utilizzare materiale didattico durante la prova.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.