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 dovrà rispondere in aula, per scritto, a tre domande nel tempo di due ore. In particolare: la prima domanda sarà focalizzata sulle macchine frigorifere a compressione di vapore e sui relativi fluidi di lavoro. La seconda domanda riguarderà le macchine frigorifere ad assorbimento. La terza domanda sarà relativa alla criogenia e ai processi coinvolti nella gestione e nel trattamento dei fluidi criogenici. I compiti saranno assegnati al momento e potranno riguardare qualsiasi argomento del programma (teoria e calcoli). I temi non conterranno le stesse domande per tutti i candidati e saranno distribuiti in modo casuale fra i presenti. Requisiti essenziali: la rappresentazione degli schemi funzionali e la dimestichezza con l’uso dei diagrammi di stato dei fluidi implicati nei processi descritti. Tutte le risposte dovranno essere accompagnate da una esaustiva giustificazione termodinamica e impiantistica. Per determinare una valutazione finale positiva, dovranno risultare sufficienti separatamente tutti e tre gli esercizi. Sarà possibile ritirarsi in qualsiasi momento. Gli studenti potranno utilizzare il proprio materiale didattico (dispense, esercitazioni, diagrammi eccetera), oltre al materiale fornito in sede di esame, purché in formato cartaceo. Non sarà concesso l’uso di risorse elettroniche in grado di connettersi alla rete internet, né come orologio, né come calcolatrice, né come consultazione. Per i calcoli occorrerà disporre di una calcolatrice che non abbia la possibilità di connessione alla rete. Il criterio di assegnazione del voto si basa sui seguenti parametri: 1. correttezza concettuale (non scrivere cose sbagliate, non sbagliare i calcoli); 2. completezza (dire tutto quello che serve per rispondere compiutamente alla domanda); 3. attinenza (non dire cose che non c’entrano); 4. sintesi (dire le cose una sola volta e con meno parole possibile); 5. chiarezza (il testo deve risultare comprensibile; quindi è consigliabile usare frasi brevi ed evitare inutili giri di parole, tipo “andiamo a...”, “come si diceva”, “in un certo senso”, "forse", ecc.); 6. grafica (questo punto è molto importante e sarà valutato seriamente: dovranno sempre essere rappresentati gli schemi funzionali e i diagrammi di stato; è necessario disporre di materiale idoneo per disegnare); 7. correttezza linguistica e terminologica (occorre usare i termini tecnici ed evitare il linguaggio colloquiale; meglio scrivere frasi corte e possibilmente evitare la subordinazione; è necessario usare formule e simboli e illustrare le grandezze in oggetto, sempre corredate dalle relative unità di misura). Non sarà possibile completare o discutere a voce il proprio lavoro dopo la correzione: il testo scritto vale per ciò che esprime al momento della redazione.

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.