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Complementi di energetica

02GBRND

A.A. 2018/19

2018/19

Complementi di energetica

Il corso si propone di presentare tecniche di analisi di impianti per la conversione di energia finalizzate all’utilizzo ottimale dell’energia primaria, attraverso integrazione di processo e design improvement. Il corso è articolato in lezioni ed esercitazioni. Nelle lezioni si illustrano le tecniche di modellazione di impianti energetici complessi, nonché i metodi di analisi quali la pinch analysis e l’analisi exergetica. Inoltre sono approfonditi gli aspetti impiantistici ed energetici relativi ad alcune tecnologie, che costituiranno poi l’oggetto delle esercitazioni. Nelle esercitazioni si propone l’applicazione le tecniche di analisi ad alcuni casi di studio.

Complementi di energetica

The course aims at presenting methods for the analysis of energy conversion plants, with particular focus on the optimal use of primary energy, process integration and design improvement. The course includes lectures and practices. Lessons are focused on the modeling techniques for complex energy systems, on the analysis techniques such as pinch analysis and exergy analysis. The technical aspects related to some energy conversion technologies are also presented, These systems will be the case studies proposed in some of the practices.

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Acquisire conoscenza delle tecniche di analisi di impianti di conversione energetica finalizzate a valutare le opportunità di miglioramento delle loro prestazioni attraverso integrazione di processo, ottimizzazione e design improvement. Acquisire l’abilità di applicare correttamente le metodologie indicate a impianti di conversione dell’energia.

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The student is expected to learn the techniques of analysis of energy conversion processes, aimed at the process integration, optimization and design improvement. The student is also expected to be able to apply these methods to energy conversion systems.

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Termodinamica applicata e trasmissione del calore

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Thermodynamics and heat transfer

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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. (3 h di lezione) 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. Il minimo numero di scambiatori di calore: cenno alla teoria dei grafi. Determinazione della rete corrispondente al minimo numero di scambiatori di calore. Rilassamento del sistema. (20 h di lezione). Applicazione del metodo della pinch analysis a impianti di produzione industriale ed impianti per la conversione di energia: esempi nell’ambito dell’industria alimentare e chimica, impianti innovativi per la termovalorizzazione di rifiuti solidi urbani, cicli integrati di celle a combustibile ad alta temperature (FC+ORC, FC+GT), sistemi di retrofit per la cattura di CO2. (12 h di esercitazione). 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. Costing exergetico. (15 h lezione). Applicazione dell’analisi exergetica a sistemi quali teleriscaldamento (dimensionamento e calcolo di una rete di teleriscaldamento, analisi di reti a bassa temperatura, analisi di utenze a bassa temperatura, third pary access, accumulo termico), impianti a pompa di calore e loro integrazione in processi industriali, geotermia. (10 h esercitazione).

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Introduction to the course. Brief reference to the evolution of energy scenarios and issues of energy research, with particular reference to industrial systems. Role of integration, optimization and design improvement of energy processes. (3 h lesson) The method of pinch analysis. Analysis of the production process and determination of the constraints of the process. Identification of the principal streams and graphical construction of the composite curve. Choosing the minimum temperature difference; thermodynamic and economic implications. Graphical determination of the pinch point. Analytical calculation of the pinch point. Representation of heat exchanger networks. Rules for tracking the network of exchangers corresponding to the minimum energy requirement. Minimum number of heat exchangers. Graph theory and Euler theorem. Determination of the network corresponding to the minimum number of heat exchangers. Relaxation of the system. (20 h lesson) Application of the method of the pinch analysis in industrial production plants and energy conversion plants: examples in the food and chemical industry, innovative installations for the incineration of municipal solid waste, integrated cycles of fuel cells at high temperatures (FC + ORC, FC + GT), systems retrofit for CO2 capture. (12 h practice) Exergetic analysis. Determining the equation of energy used. The reference environment. Calculation of exergy physics and chemistry. Use exergetic analysis in the design improvement of energy plants. (15 h lesson) Exergetic analysis application, such as: district heating (sizing and calculation of a district heating network, network analysis at low temperature, analysis of utilities at low temperature, third pary access, thermal storage), heat pump systems and their integration in industrial processes, geothermal energy. (10 h practice)

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Sono previste esercitazioni in aula finalizzate all’applicazione delle metodologie proposte a impianti industriali e impianti per la conversione di energia. Tali esercitazioni hanno il duplice scopo di consentire la familiarizzazione dello studente con gli strumenti di analisi exergetica e della pinch analysis, approfondendo gli aspetti relativo al loro utilizzo per miglioramento delle prestazioni di progetto e operative di impianti reali.

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In the course, some specific practices are developed in the classroom in order to propose the application of the various methodologies to industrial plants and energy conversion systems. These practices are designed to allow both the familiarization of the student to the exergy and pinch analysis, and deepening of the aspects related to their use for the design and operation improvement of real plants.

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

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Textbook: Verda, Guelpa. Thermodynamic methods for the efficient use of energy resources. Ed. Esculapio (In Italian) Supplementary material provided by the teacher.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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L’esame è unicamente scritto ed è composti da due parti: - due esercizi, uno sulla analisi exergetica e uno 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. - tre domande che vertono sugli aspetti teorici sia delle tecniche di analisi sia delle specifiche tecnologie analizzate durante il corso. Tale parte ha lo scopo di valutare le conoscenze acquisite non valutabili attraverso gli esercizi numerici. La votazione tiene conto per 9/10 degli esercizi e per la restante parte delle domande. I due esercizi hanno peso analogo nella votazione. L'esame ha una durata di 3 ore.

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Exam: Written test;

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The exam consists of a written test, composed by two parts: - two exercises, one on exergy analysis and one on pinch analysis. This part aims at evaluating the ability of the student to apply the techniques discussed during lessons and practices. - three questions covering the theoretical aspects of the analysis techniques as well as the specific technologies shown during the course. This part aims at evaluating the knowledge of the students on the aspects that cannot be evaluated through the numerical exercizes. The final mark takes into account for 9/10 of the exercizes and the questions for the remaining part. The two exercizes have similar weight on the evaluation. The exam lasts 3 hours

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