Insegnamento a scelta dell’orientamento “Innovazione e produzione”. Si propone di fornire agli studenti le conoscenze di base indispensabili per la progettazione e l’analisi energetica e ambientale degli apparecchi e dei sistemi per la refrigerazione e la criogenia (6 cfu, corrispondenti a 60 ore di didattica frontale). PERCHÉ SCEGLIERE QUESTO INSEGNAMENTO? Gli argomenti qui trattati sono essenziali per ragionare su una classe di impianti che realizzano processi “contro natura” e quindi intrinsecamente energivori. Diventa allora specialmente interessante disporre di una serie di strumenti tecnici e culturali che consentano all’ingegnere energetico di analizzare le soluzioni ottimali da applicare all’impianto frigorifero che si appresta a progettare, a gestire o a modificare. I criteri con cui si affronta il mondo del Freddo non sono inizialmente intuitivi, per cui è opportuno offrire all’ingegnere frigorista le metodologie con cui valutare l’intero ciclo di vita dell’impianto frigorifero o criogenico e l’impatto che l’installazione produce sull’ambiente in tutte le fasi della sua esistenza.

Conoscere i dati di progetto delle macchine per la produzione del freddo (dette macchine frigorifere o frigorigene, o semplicemente frigoriferi). Conoscere e utilizzare le tecniche per la progettazione termodinamica delle macchine frigorifere (a compressione e ad assorbimento) e delle macchine per la criogenia, per l’analisi delle loro prestazioni e per la loro ottimizzazione. Definire le logiche di funzionamento e regolazione degli impianti frigoriferi e criogenici. Dimensionare i principali componenti e sottosistemi dell’impianto. Conoscere gli aspetti di sicurezza, affidabilità, efficienza energetica e impatto ambientale sottesi alla gestione dell’impianto. Conoscere le proprietà dei fluidi operativi utilizzati nelle varie tipologie di impianti frigorigeni e gli effetti delle loro caratteristiche sulle prestazioni delle macchine e sull’impatto ambientale della macchina.

L’allievo deve avere dimestichezza con le materie relative a Termodinamica, Trasmissione del Calore e Meccanica dei Fluidi, oggetto degli insegnamenti di base della Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica o Energetica.

• COS’È IL “FREDDO” E COME FUNZIONA? CHE DIFFERENZA C’È TRA TECNICA DEL FREDDO E CRIOGENIA? (6 h) Strumenti termodinamici per lo studio e l’analisi dei processi nel campo del “Freddo” . Equazione dell’exergia; teorema di Gouy – Stodola; rendimenti di 1° e 2° principio; temperatura media termodinamica di trasformazione (6 h). • COME SI RIESCE A PRODURRE IL FREDDO? CHE DIFFERENZA C’È TRA UN FRIGORIFERO E UN CONDIZIONATORE? ESISTONO PIÙ TIPOLOGIE DI MACCHINE FRIGORIFERE? (15 h) Cicli inversi a compressione di vapore. Cicli a doppia compressione di vapore. Cicli in cascata. Cicli inversi a compressione di vapore. Ciclo di riferimento di Carnot. Espansione di Joule – Thomson. Ciclo Rankine inverso con trafilazione. Diagrammi (T,s) e (P,h). Applicazioni del ciclo: frigorifero e pompa di calore; macchine invertibili (inverno – estate). Dimensionamento ed efficienze di targa. Efficienze ai carichi parziali. Cicli a doppia compressione. Cicli in cascata. Effetto delle perdite di carico negli scambiatori. • COME SI SCELGONO I FLUIDI OPERATIVI PER LE MACCHINE FRIGORIFERE? PERCHÉ NE ESISTONO COSÌ TANTI? SI POSSONO UTILIZZARE FLUIDI A BASSO COSTO E NON INQUINANTI? (6 h) Fluidi frigorigeni. Fluidi puri, miscele azeotropiche, miscele zeotropiche. Compatibilità ambientale dei fluidi frigorigeni. Caratteristiche e proprietà dei fluidi frigorigeni. Fluidi puri, miscele azeotropiche, miscele zeotropiche. Cicli con miscele zeotropiche. Cicli con CO2. Nuovi fluidi. Compatibilità ambientale fluidi frigorigeni. Distruzione dello strato di ozono stratosferico e indice ODP. Contributo all’effetto serra antropogenico; effetti diretti e indiretti: indici GWP e TEWI. • COME SONO FATTE LE MACCHINE FRIGORIFERE? (3 h) Dispositivi di un impianto frigorifero. Compressori, condensatori, evaporatori, sistemi di accumulo. Dispositivi per la laminazione del vapore. Instabilità di vapour hunting. • ESISTONO DELLE MACCHINE FRIGORIFERE CHE SFRUTTANO ENERGIA MENO PREGIATA DI QUELLA ELETTRICA? SI RIESCE A PRODURRE IL FREDDO UTILIZZANDO ENERGIA TERMICA? (15 h) Le macchine frigorifere ad assorbimento. Cicli a acqua – ammoniaca (NH3-H2O) e acqua – bromuro di litio (H2O-LiBr). Diagramma (P,T). Diagrammi (h,ksi) e (s,ksi) (ovvero entalpia – concentrazione e entropia – concentrazione). Vantaggi e svantaggi rispetto ai cicli a compressione. Componenti e loro funzione. Prestazioni teoricamente ottenibili. Analisi termodinamica di un ciclo NH3-H2O. Progettazione termodinamica della colonna di distillazione. Impianti ad assorbimento a NH3-H2O e H2O-LiBr e loro differenze. • COS’È LA CRIOGENIA? PERCHÉ PER RAGGIUNGERE TEMPERATURE MOLTO BASSE SI DEVONO REALIZZARE CICLI DEDICATI? COSA SONO I GAS LIQUEFATTI, COME SI PRODUCONO E COME SI TRASPORTANO? (15 h) I gas liquefatti. Diagrammi di stato di fluidi criogenici. Macchine per la liquefazione di gas: il ciclo di Linde. Ciclo di Claude. La macchina di Collins. La macchina di Philips (con ciclo di Stirling inverso a elio). Distillazione dell’aria per la produzione di azoto e ossigeno. Scambiatori di calore criogenici. Isolamento termico dei sistemi criogenici. Contenitori per la conservazione e il trasporto di gas liquefatti (dewar).

Saranno disponibili sul portale dell'insegnamento le registrazioni delle videolezioni (lezioni ed esercitazioni) relative ad anni accademici precedenti.

L’insegnamento consiste in lezioni ed esercitazioni in aula, ma non esiste una separazione rigida tra lezioni ed esercitazioni, perché la spiegazione delle esercitazioni, in generale, si svolge contestualmente alla presentazione dell’argomento trattato a lezione. Infatti è richiesto lo sviluppo, in forma individuale, di quattro esercitazioni di calcolo articolate sui cicli termodinamici trattati. Le esercitazioni sono obbligatorie e costituiscono oggetto di esame.

Il materiale didattico sarà reso disponibile attraverso il portale. Tutte le lezioni ed esercitazioni saranno accompagnate da dispense dettagliate, in formato pdf, scaricabili dal portale della didattica. Sarà sempre indicata in modo preciso la relazione tra le dispense, le lezioni ed esercitazioni in presenza e le videolezioni disponibili sul portale. Si forniranno anche indicazioni bibliografiche di riferimento per eventuali approfondimenti, su richiesta degli studenti.

Modalità di esame: Elaborato scritto individuale;

Exam: Individual essay;

... L’esame consiste in un lavoro scritto individuale. Ogni studente consegnerà una tesina, in cui dovrà rispondere a cinque domande, estratte da un elenco che sarà messo a disposizione sul portale della didattica, di cui due sulle esercitazioni obbligatorie e tre su argomenti vari dell’insegnamento. L’esame è individuale. La tesina deve essere scritta in lingua italiana. Per cui si pretende la correttezza ortografica e grammaticale. (Con gli studenti stranieri si potrà eventualmente concordare l’utilizzo di un’altra lingua). Le domande si possono classificare secondo due tipologie: A – domanda sulle esercitazioni (a queste domande si dovrà rispondere anche con precisi riferimenti ai risultati ottenuti nella propria esercitazione) B – domanda non necessariamente vincolata alle esercitazioni. Le esercitazioni sono importanti (obbligatorie) e sarà impossibile superare l’esame senza averle svolte. REQUISITI: a. Temi delle 5 domande(*): 2 domande di “tipo A”: • una sui cicli a compressione di vapore • una sui cicli ad assorbimento oppure sui cicli criogenici 3 domande di “tipo B”: • una sui cicli a compressione di vapore oppure sui fluidi frigoriferi • una sui cicli ad assorbimento • una sulla criogenia (*)non è consentito ripetere nella domanda B lo stesso argomento della domanda A b. Formato della presentazione: L’esame dovrà essere consegnato in formato cartaceo oppure informatico (word o pdf). Le risposte non dovranno superare la lunghezza massima di due facciate A4 per ogni domanda (carattere 11 o 12) (si richiedono sempre i diagrammi e gli schemi di impianto: per i disegni e le eventuali tabelle si può utilizzare spazio supplementare). I disegni si possono realizzare anche a mano, purché con grande cura.

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.