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Applicazioni energetiche dei materiali

02QZSND

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica E Nucleare - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 39
Esercitazioni in laboratorio 21
Tutoraggio 4
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Chiavazzo Eliodoro Professore Associato ING-IND/10 7.5 0 0 0 2
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10
ING-IND/22
3
3
B - Caratterizzanti
C - Affini o integrative
Ingegneria energetica e nucleare
Attività formative affini o integrative
2018/19
Sommario grafico: http://www.polito.it/small/energy/AppEnergeticheMateriali.jpg Altri esempi di applicazione di interesse: http://www.polito.it/small L'efficienza dei processi energetici é oggigiorno in continua evoluzione grazie alla disponibilità di materiali dalle prestazioni sempre più performanti. Tale cambiamento é reso possibile anche grazie ai continui progressi delle nanotecnologie. Questo corso intende in primo luogo dare una panoramica delle più moderne soluzioni nanotecnologiche utilizzate in ambito energetico, sia dal punto di vista della realizzazione dei dispositivi utilizzati sia da quello del loro uso all'interno degli impianti di conversione e trasporto dell'energia. In tal modo, si intende sottolineare come oggigiorno più che mai i due aspetti siano intimamente connessi. Il corso intende dunque fornire strumenti tecnico-scientifici che amplino le basi culturali dell’ingegnere energetico permettendogli una gestione consapevole delle funzionalità tecniche dei dispositivi e dei relativi materiali impiegati. Il filo conduttore del presente corso è sinteticamente rappresentato nella figura in alto, dove ci si pone l’obiettivo di analizzare, sia dal punto di vista della scienza dei materiali che da quello energetico/impiantistico, il processo di raccolta di energia da una data fonte, il suo trasporto, accumulo e uso civile direttamente nella forma termica. In particolar modo, ci si concentrerà sulla luce solare, anche se gli argomenti trattati avranno un respiro più ampio e possono dunque essere ugualmente utili per fonti energetiche diverse. Gli argomenti del corso offriranno la possibilità di applicare i concetti di dinamica molecolare affrontati nel corso e quindi di comprendere le connessioni tra gli aspetti microscopici dei materiali e le loro ricadute macroscopiche. Alla fine del corso, ci si attende che lo studente abbia acquisito strumenti avanzati di progettazione che gli conferiscano una capacità di scegliere per ciascun sotto-processo coinvolto (ciascun sotto-processo è trattato in ciascuno dei quattro moduli del corso) sia il dispositivo sia il relativo materiale più adatto allo scopo. Ci si attende inoltre che lo studente acquisisca le capacità per giudicare e progettare i diversi componenti dell’impianto sia individualmente che dal punto di vista sistemico.
Graphical abstract: http://www.polito.it/small/energy/AppEnergeticheMateriali.jpg Other examples: http://www.polito.it/small Today the efficiency of energy processes is constantly increasing due to the availability of highly efficient materials. This change is made possible also thanks to the continuous advances in nanotechnology. This course intends primarily to give an overview of the most modern nanotechnology solutions used in the energy sector, both from the point of view of the realization of the adopted devices and from that of their use within the installations for energy conversion and transport. Thus, it is intended to emphasize that, today more than ever, the two are intimately connected. The course aims to provide technical and scientific tools that expand the engineer background, enabling the energy management aware of the technical capabilities of the devices and related materials. The underlying theme of this course is briefly explained: one aims to analyze, from the point of view of materials science and from that of plant design, the process of collecting energy from a given source, its transportation, storage and civilian use directly in thermal form. In particular, we will focus on the sunlight, even if the topics covered will have a wider applicability and can therefore be equally useful for different energy sources. The applications analysed in the course will offer the possibility of applying the concepts of molecular dynamics and then to understand the connections between the microscopic phenomena of the materials and their macroscopic effects. At the end of the course, it is expected that the student has acquired advanced tools of design such that the ability to choose, for each involved sub-process (one sub-process is treated in each of the four modules of the course), the device and the most suitable material for the purpose. It is anticipated that the student acquires the ability to judge and plan the various components individually and in a systemic perspective.
Il corso si prefigge di trasmettere i due seguenti obbiettivi di apprendimento. 1) Il primo obbiettivo è quello di trasmettere una cultura ingegneristica sui materiali recenti più avanzati (i.e. nano-ingegnerizzati) per applicazioni energetiche, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione degli stessi, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con i materiali attraverso un controllo delle loro caratteristiche microstrutturali. 2) Il secondo obbiettivo è di fornire allo studente uno strumento robusto e versatile relativo alla simulazione numerica dei materiali mediante dinamica molecolare che gli permetta di approcciare in modo consapevole la moltitudine di materiali per i dispositivi per il recupero e lo stoccaggio di energia che la moderna scienza dei materiali oggigiorno mette a disposizione. Mediante i due obbiettivi precedenti, lo studente potrà acquisire conoscenze avanzate che si svincolino da una mera descrizione, ma costituiscano le linee-guida per una conoscenza consapevole dei materiali da impiegare nei dispositivi energetici.
The course aims to achieve two educational goals. 1) The first goal is to transmit a culture of most advanced engineering materials (i.e. nano - engineered) for energy applications, with particular emphasis on correlations between structure, microstructure and performance, thus revealing the potential of design with the materials through a control of their microstructure. 2) The second goal is to provide students with a robust and versatile tool for numerically simulating materials by molecular dynamics that allows him/her to approach consciously the multitude of materials that modern material science makes available today for energy recovery and storage. In particular, by these two goals, the student will acquire advanced knowledge beyond merely descriptive approach, but constitutes the guidelines for a conscious knowledge of the materials to be used in energy devices.
Conoscenze di base sulle principali classi di materiali e loro comportamento termico, ottico e meccanico. Conoscenze di base su scambio termico.
Basic knowledge of the main topics of materials and their thermal, optical and mechanical behaviour. Basic knowledge of heat and mass transfer.
Il corso prevede i seguenti macro-blocchi: 1) Metodi generali per la scelta di un materiale. Introduzione alla strategia di selezione dei materiali ed alla definizione delle linee-guida fondamentali per la selezione dei materiali in funzione dell’applicazione prevista e dei pre-requisiti imposti a livello progettuale. Introduzione all’uso di software per la selezione sistemica dei materiali. Richiami alle relazioni composizione-struttura-proprietà delle classi principali dei materiali. 2) Teoria della dinamica molecolare classica. Introduzione alla dinamica molecolare classica. Potenziali di iterazione e relative forze. Potenziali per la descrizione dei legami covalenti (interazioni forti). Potenziali per la descrizione delle forze indotte dai dipoli (interazioni deboli). Interazioni di van der Waals e modello di Lennard-Jones. Termostati e pressostati. Integrazione numerica. Calcolo delle proprietà termofisiche macroscopiche. Esempio della conducibilità termica. 3) Materiali per la conversione della radiazione solare. Materiali per dispositivi per il recupero dell’energia solare e definizione delle linee-guida per la loro selezione. Materiali per rivestimenti ad alta riflessione o assorbimento: principali proprietà e potenzialità, possibili strategie di selezione. Variazioni composizionali e strutturali (ai vari livelli) dei materiali per il miglioramento delle proprietà fisiche e funzionali. Deposizione di strati sottili mediante tecniche CVD e PVD. 4) Introduzione al mondo dei materiali in scala nanometrica e caratteristiche dei materiali nanostrutturati. Sintesi di micro- e nano-particelle per la raccolta, il trasferimento e lo stoccaggio di calore. Materiali per la raccolta dell’energia solare ed il trasporto termico: principali proprietà e potenzialità, possibili strategie di selezione. Studio delle strategie perseguibili per garantire una corretta operatività e durabilità in esercizio. 5) Uso e applicazioni di micro- e nanotecnologia per la raccolta diretta dell’energia solare e trasporto termico. Nanotecnologie nelle scienze termiche: il concetto di nano-fluido. Principali proprietà termo fisiche dei nano fluidi e principali metodi euristici di calcolo delle stesse. Cenni su dinamica molecolare. Modellazione delle principali proprietà di trasporto tramite dinamica molecolare. Nano-fluidi neri per la raccolta diretta della radiazione solare. Micro-fluidi. Fluidi slurry micro-incapsulati a elevata capacità termica per il trasporto e accumulo termico. 6) Materiali e tecnologie emergenti per la fabbricazione flessibile e geometrie complesse. Tecnologie di fabbricazione dell’Additive Manufacturing (AM), relative a materiali polimerici, metallici, ceramici. Materiali per scambiatori termici processabili attraverso tecniche AM: principali proprietà e potenzialità. Definizione delle linee-guida per la selezione dei materiali per scambiatori termici ed applicazione della strategia di selezione. Influenza dei parametri di processo per l’ottimizzazione della risposta del dispositivo in esame. 7) Progettazione di nuove soluzioni flessibili e compatte nel campo dello scambio termico. Recupero di reflui termici a bassa temperatura e brevi cenni sui dispositivi termo-elettrici. Scambiatori compatti metallici realizzati tramite moderne tecniche di stampa 3D (additive manufacturing). Rugosità artificiale per lo scambio termico tramite stampa 3D (additive manufacturing). Scambiatori polimerici realizzati tramite plastiche conduttive: sfide e vantaggi. 8) Materiali per accumulo termico. Dispositivi per lo stoccaggio termico: soluzioni attuali e potenziali prospettive. Materiali per l’accumulo termico: soluzioni attuali e principali proprietà. Applicazione della strategia di selezione dei materiali. Studio dell’effetto del controllo della struttura dei materiali alla nanoscala sul loro rendimento prestazionale. 9) Impianti di accumulo termico. La sfida della conservazione del calore. Approcci di accumulo termico a breve, medio e lungo termine. Densità di energia e principali figure di merito dei materiali per l’accumulo termico. Principali componenti negli impianti per accumulo termico solare ad uso domestico. Brevi cenni sull’accumulo termico in altri ambiti (e.g. automobilistico).
The course includes the following topics: 1) General methods for the selection of a material. Introduction to the strategy of materials selection and the definition of basic guidelines for the selection of materials depending on the intended application and pre-requisites imposed on a planning level. Introduction to the use of software for the systematic selection of the materials. References to the composition-structure-property relationships of the main classes of materials. 2) Theory of classical molecular dynamics. Introduction to classical molecular dynamics. Interaction potential and force fields. Potential for the description of covalent bonds (strong interactions). Potential for description of forces induced by the dipoles (weak interactions). Van der Waals interactions, and Lennard-Jones model. Thermostats and pressostats. Numerical integration. Calculation of macroscopic thermophysical properties. Example of the thermal conductivity. 3) Materials for the conversion of solar radiation. Materials for equipment for the recovery of solar power and definition of the guidelines for their selection. Materials for high reflection or absorption coatings: major properties and potentiality, possible selection strategies. Compositional and structural variations (at various levels) of the materials for the improvement of the physical and functional properties. Deposition of thin layers by means of PVD and CVD techniques. 4) Introduction to the world of materials at the nanometric scale and characteristics of nanostructured materials. Synthesis of micro- and nanoparticles for the heat collection, transport and storage. Materials for the collection of solar energy and heat transfer: major properties and potentialities, possible selection strategies. Study of the strategies to ensure proper operation and durability. 5) Use and applications of micro- and nanotechnology to the direct collection of solar energy and heat transfer. Nanotechnologies in thermal sciences: the concept of nano-fluid. Main thermo physical properties of nano fluids and main heuristic methods of their design. Overview of molecular dynamics. Modeling of the main transport properties using molecular dynamics. Black nano-fluids for direct solar radiation. Micro-fluid. Slurry fluids with micro-encapsulated particles with high thermal capacity for thermal transport and storage. 6) Materials and emerging technologies for manufacturing flexible and complex geometries. Technologies for Additive Manufacturing (AM), relative to polymers, metals and ceramics. Materials for heat exchangers that can be processed through AM techniques: major properties and potential. Definition of guidelines for the selection of materials for heat exchangers and application of the selection strategy. Influence of process parameters for the optimization of the response of the device under examination. 7) Design of new compact and flexible solutions in the field of heat transfer. Recovery of waste heat at low temperature and brief remarks on the thermo-electric devices. Metal-based compact heat exchangers made by modern techniques of 3D printing (Additive Manufacturing). Artificial roughness for heat transfer via 3D printing (Additive Manufacturing). Polymer-based heat exchangers using conductive plastics: challenges and advantages. 8) Materials for thermal storage. Devices for thermal storage: current solutions and potential prospects. Materials for thermal storage: current solutions and main properties. Application of the strategy of selection of materials. Study of the control of the structure of materials at the nanoscale on their performance. 9) The equipment for thermal storage. The challenge of preserving thermal energy. Approaches of heat storage in the short, medium and long term. Energy density and main figures of merit of the materials for the thermal storage. Main components in installations for solar thermal storage in domestic use. Brief overview of thermal storage in other industrial sectors (e.g. automotive).
Il corso inoltre prevede le seguenti esperienze pratiche per gli studenti: 1) Laboratorio informatico relativo alla scelta dei materiali. Durante tale attività gli studenti avranno modo di applicare le strategie di selezione dei materiali in un caso pratico relativo ad uno degli esempi di dispositivi energetici trattati durante il corso, dall’analisi del progetto alla definizione dei criteri di selezione all’individuazione di una o più possibili soluzioni. 2) Laboratorio informatico di dinamica molecolare. In questo laboratorio informatico, che occupa una parte significativa del semestre, verranno approfonditi gli strumenti informatici per lo svolgimento di simulazioni numeriche di dinamica molecolare. In particolare, si affronterà per primo il sistema operativo Linux (Ubuntu) e lo strumento di simulazione GROMACS. Successivamente verranno analizzate passo-passo delle simulazioni svolte che serviranno da esempio agli studenti. Le relazioni richieste agli studenti saranno basate sulla modifica degli esempi svolti durante l'esercitazione.
The course also provides the following laboratories with hands-on experience: 1) Computer Lab about materials selection. During this activity students will be able to apply the strategies of selecting materials in a practical case relating to any of examples of energy devices during the course, from project definition of the selection criteria to the identification of one or more possible solutions. 2) Computer Lab of molecular dynamics simulations. In this computer lab, which occupies a significant part of the semester, computer tools to carry out numerical simulations of molecular dynamics will be studied. In particular, it will address the basics of the Linux operating system (Ubuntu) and the GROMACS simulation tool. Subsequently we will analyse step-by-step the simulations that will serve as an example to students. The reports required by students will be based on the modification of the examples carried out during this exercise.
MATERIALI: Ashby M. F., “Materials Selection in Mechanical Design”, Fourth Edition, Elsevier, 2010. I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker, Additive Manufacturing, Second edition, Springer, 2015. P. Bermel, J. Lee, J.D. Joannopoulos, I. Celanovic, M. Soljacic, Selective Solar Absorbers, Annual Review Heat Transfer, 2012, 15, 231 T. Tadros, General Principles of Colloid Stability and the Role of Surface Forces, chapter 1 in "Colloid Stability", Wiley, 2011. R.G. Chaudhuri, S. Paria, Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications, Chem. Rev. 2012, 112, 2373. R. Saidur, K.Y. Leong and H.A. Mohammad, A review on applications and challenges of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2011, 15, 1646 D.K. Devendiran and V.A. Amirtham, A review on preparation, characterization, properties and applications of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2016, 60, 21 B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling, Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications, Applied Thermal Engineering 2003, 23, 251. A.I. Fernandez, M. Martinez, M. Segarra, I. Martorell, L.F. Cabeza, Selection of materials with potential in sensible thermal energy storage, Solar Energy Mater Solar Cells, 2010, 94, 1723 S. Khare, M. Dell'Amico, C. Knight, S. McGarry, Selection of materials for high temperature latent heat energy storage, Solar Energy Mater. Solar Cells, 2012, 107, 20 ENERGIA: - P. Asinari, E. Chiavazzo, "An Introduction to Multiscale Modeling with Applications", Esculapio, Bologna, 2013. - A. Bejan, “Advanced Engineering Thermodynamic”, John Wiley & Sons, 1997. - A. Bejan, A.D. Kraus (Editors), "Heat Transfer Handbook", John Wiley & Sons, 2003. - A. Moradi, E. Sani, M. Simonetti, F. Francini, E. Chiavazzo, P. Asinari, “Carbon-nanohorn based nanofluids for a direct absorption solar collector for civil application”, J. Nanosci. Nanotech. 15, 2015. - Matteo Fasano, Masoud Bozorg Bigdeli, Mohammad Rasool Vaziri Sereshk, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Thermal transmittance of carbon nanotube networks: Guidelines for novel thermal storage systems and polymeric material of thermal interest”, Ren. Sust. Energy Rev. 41, 2015. - Luigi Ventola, Francesco Robotti, Masoud Dialameh, Flaviana Calignano, Diego Manfredi, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Rough surfaces with enhanced heat transfer for electronics cooling by direct metal laser sintering”, Int. J. Heat Mass Tran. 75, 2014. - Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari, Paolo Decuzzi, “Scaling behaviour for the water transport in nanoconfined geometries”, Nature Comm. 4565, 2014. - Chiavazzo E., Asinari P., “Reconstruction and modeling of 3D percolation networks of carbon fillers in a polymer matrix” Int. J. Thermal. Sci. 49, 2010. - Chiavazzo E., Asinari P., “Enhancing surface heat transfer by carbon nanofins: towards an alternative to nanofluids?” Nanosc. Res. Lett. 6, 2011.
MATERIALI: Ashby M. F., “Materials Selection in Mechanical Design”, Fourth Edition, Elsevier, 2010. I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker, Additive Manufacturing, Second edition, Springer, 2015. P. Bermel, J. Lee, J.D. Joannopoulos, I. Celanovic, M. Soljacic, Selective Solar Absorbers, Annual Review Heat Transfer, 2012, 15, 231 T. Tadros, General Principles of Colloid Stability and the Role of Surface Forces, chapter 1 in "Colloid Stability", Wiley, 2011. R.G. Chaudhuri, S. Paria, Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications, Chem. Rev. 2012, 112, 2373. R. Saidur, K.Y. Leong and H.A. Mohammad, A review on applications and challenges of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2011, 15, 1646 D.K. Devendiran and V.A. Amirtham, A review on preparation, characterization, properties and applications of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2016, 60, 21 B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling, Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications, Applied Thermal Engineering 2003, 23, 251. A.I. Fernandez, M. Martinez, M. Segarra, I. Martorell, L.F. Cabeza, Selection of materials with potential in sensible thermal energy storage, Solar Energy Mater Solar Cells, 2010, 94, 1723 S. Khare, M. Dell'Amico, C. Knight, S. McGarry, Selection of materials for high temperature latent heat energy storage, Solar Energy Mater. Solar Cells, 2012, 107, 20 ENERGIA: - P. Asinari, E. Chiavazzo, "An Introduction to Multiscale Modeling with Applications", Esculapio, Bologna, 2013. - A. Bejan, “Advanced Engineering Thermodynamic”, John Wiley & Sons, 1997. - A. Bejan, A.D. Kraus (Editors), "Heat Transfer Handbook", John Wiley & Sons, 2003. - A. Moradi, E. Sani, M. Simonetti, F. Francini, E. Chiavazzo, P. Asinari, “Carbon-nanohorn based nanofluids for a direct absorption solar collector for civil application”, J. Nanosci. Nanotech. 15, 2015. - Matteo Fasano, Masoud Bozorg Bigdeli, Mohammad Rasool Vaziri Sereshk, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Thermal transmittance of carbon nanotube networks: Guidelines for novel thermal storage systems and polymeric material of thermal interest”, Ren. Sust. Energy Rev. 41, 2015. - Luigi Ventola, Francesco Robotti, Masoud Dialameh, Flaviana Calignano, Diego Manfredi, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Rough surfaces with enhanced heat transfer for electronics cooling by direct metal laser sintering”, Int. J. Heat Mass Tran. 75, 2014. - Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari, Paolo Decuzzi, “Scaling behaviour for the water transport in nanoconfined geometries”, Nature Comm. 4565, 2014. - Chiavazzo E., Asinari P., “Reconstruction and modeling of 3D percolation networks of carbon fillers in a polymer matrix” Int. J. Thermal. Sci. 49, 2010. - Chiavazzo E., Asinari P., “Enhancing surface heat transfer by carbon nanofins: towards an alternative to nanofluids?” Nanosc. Res. Lett. 6, 2011.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Progetto di gruppo;
L’esame prevede una prova scritta ed una prova orale. La prova scritta consiste nella stesura di due relazioni scritte relative ai lavori di gruppo svolti durante il semestre. Le due relazioni scritte sono relative (i) al laboratorio relativo alla scelta dei materiali ed (ii) al laboratorio relativo alla dinamica molecolare e vanno consegnate alcuni giorni prima dell'appello che si intende sostenere, in modo da poter essere valutate dai docenti in tempo utile per l'appello selezionato. In particolare, la prima relazione scritta si prefigge di verificare il raggiungimento dell’obbiettivo di apprendimento relativo alla scelta consapevole dei materiali e la comprensione delle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione dei materiali. La seconda relazione scritta si prefigge invece di verificare il raggiungimento dell’obbiettivo di apprendimento relativo alla comprensione della dinamica molecolare. La prova orale consiste nella discussione degli argomenti di teoria affrontati nel corso in merito alla scelta dei materiali in ambito energetico, tenendo conto delle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione, e quelli in merito alla dinamica molecolare, coerentemente con gli obbiettivi attesi di apprendimento. L’orale dura circa 30-40 minuti ed è composto da due domande, in merito alle due parti descritte in precedenza. Per superare l’esame è necessario ottenere una valutazione superiore o uguale a 18/30 in entrambe le prove. Il voto finale sarà dato dalla media aritmetica delle votazioni ottenute nelle due prove arrotondata per eccesso.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
The exam includes a written test and an oral examination. The written test consists in the preparation of two written reports about the work done during the two computer laboratories. The two reports are about (i) the selection of the materials, including the correlations between structure, microstructure and performance, and about (ii) the molecular dynamics simulations. These reports must be delivered a few days before the appeal, so that it can be evaluated by the teachers in time for the selected exam. The first report is aimed to verify that the student achieved the first educational goal about understanding the correlations between structure, microstructure and performance. The second report is aimed to verify that the student achieved the second educational goal about understanding molecular dynamics simulations. The oral exam consists of the discussion of theory topics covered in the course about the choice of materials for energy applications, including the correlations between structure, microstructure and performance, and about the molecular dynamics simulations. Hence the oral exam is planned to be consistent with the expected educational goals. The oral exam lasts 30-40 minutes and it involves two questions about the above mentioned parts. To pass the exam the student must obtain a valuation greater than or equal to 18/30 in both tests. The final grade will be the arithmetic average of the grades obtained in the two tests rounded up.


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