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Thermal design and optimization

01TWBND

A.A. 2019/20

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Energy And Nuclear Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 56
Esercitazioni in aula 33
Esercitazioni in laboratorio 31
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Verda Vittorio
Complementi di energetica
Professore Ordinario ING-IND/10 26 9 7 0 1
Verda Vittorio Professore Ordinario ING-IND/10 26 9 7 0 1
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/10 12 B - Caratterizzanti Ingegneria energetica e nucleare
2019/20
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.
This course focuses in the thermal design and optimization of energy systems and components with the twofold objective to improve efficiency and reduce the investment and operating costs. The course is oriented towards applications and it is based on lectures, practical exercises developed in class and practices developed at the computer. In lessons the techniques for modeling energy components and plants are discussed, together with advanced methods for their analysis, such as pinch analysis, exergy analysis and thermoeconomic analysis. At the end of the course, the student will be able to analyse thermal systems and components as well as to identify the opportunities for improving energy and economic performances acting on the variables referred to geometry, design and configuration, and optimize components and systems. During practices in class, some applications will be developed in order to allow the student to become familiar with the various techniques. A relevant part of the course is devoted to project team working using commercial software for the analysis of thermal systems and components.
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.
At the end of this course, students are expected to know the techniques for design, analysis and optimization of thermal systems and their components from the energy and economic point of view: exergy and thermoeconomic analysis, estimation of cost of components and plants, fundamental of financial mathematics and discounted cash flow analysis, process integration and pinch analysis, single and multi-objective optimization, design improvement, entropy generation minimization. Acquire the ability to correctly apply these methodologies to thermal systems and their components.
Termodinamica applicata e trasmissione del calore
Engineering thermodynamics and heat transfer.
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).
Introduction to the course. Brief analysis of the energy scenarios and the role of research in energy systems, with particular emphasis on the application to industrial plants. Role of the process integration, optimization and design improvement of energy conversion systems. Characteristics of an optimization problem. Optimization techniques: direct and indirect optimization, heuristic optimization (9 h lesson). Simulation of energy components: continuum mechanics; overview of continuity, momentum and energy equations; meaning of the terms in the equations; boundary and initial conditions. Optimal design of components. Entropy generation minimization. Application to an energy conversion component (12 h lesson + 9 h lab). Exergy analysis. Development of the exergy balance equation. The reference environment. Calculation of physical and chemical exergy. Uses of exergy analysis for the design improvement of energy plants. Applications of the exergy analysis. Exergy cost. Exergo-economic cost balance. Evaluation of the total investment cost of a thermal plant. Cost functions of components. Fundamentals of financial mathematics. Discounted cash flow analysis. Current and constant currency assumptions. Investment assessment of energy systems: applications to renewable power plants. Process of cost formation of products in a thermal plant. Design improvement methodology. Possible interventions for increasing the rational utilization of the resources. Detection of the main components to be optimized in design and/or operation. (30 h lesson + 12 h practice + 12 h lab). Pinch analysis method. Analysis of productive processes and determination of productive constraints. Definition of the main streams and graphical construction of the composite curves. Definition of the minimum temperature difference; thermodynamic and economic implications. Graphical calculation of the pinch point. Analytical calculation of the pinch point. Representation of a heat exchanger network. Rules for the design of the heat exchanger network corresponding to the minimum energy needs. Introduction to graph theory. Calculation of the minimum number of heat exchangers. Network corresponding with the minimum number of heat exchangers. Relaxation of the system constraints. Application of the pinch analysis to production plants and energy conversion systems (20 h lesson + 12 h practice + 3 h lab).
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.
The course in organized with theoretical lessons, practices in class and practices in lab. During lessons the techniques for modeling energy components and plants are discussed, together with advanced methods for their analysis, such as pinch analysis, exergy analysis and thermoeconomic analysis. During practices in class, some applications will be developed in order to allow the student to become familiar with the various techniques. A relevant part of the course is devoted to project team working using commercial software for the analysis of thermal systems and components. Specific modeling tools for the solution of applications will be introduced during lab activities scheduled in the framework of the course.
Libro di testo: Verda, Guelpa. Metodi termodinamici per l’uso efficiente delle risorse energetiche. Esculapio. Dispense integrative fornite dal docente.
Textbook: Verda, Guelpa. Metodi termodinamici per l’uso efficiente delle risorse energetiche. Esculapio. Teaching material provided by the teacher.
Modalità di esame: prova scritta; progetto di gruppo;
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: - due esercizi, uno sulla analisi exergetica e termoeconomica 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. - 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. I due esercizi hanno peso analogo nella votazione e pari a circa 9/24 ciascuno, mentre le domande hanno una votazione complessiva di 6/24. L'esame scritto ha una durata di 3 ore.
Exam: written test; group project;
Exam: written test; group project; The final mark is composed by the written test for 24/30 and for 6/30 by the group project. The written test is composed by two parts: - two exercizes, one on exergy and thermoeconomic analysis and one on pinch analysis. This part aims at evaluating the ability of the student to apply the analysis techniques presented during lessons and practices in class. – some questions focused on the theoretical aspects and the analysis techniques presented during the course. This part aims at evaluating specific knowledge acquired during the course and not evaluable through numerical exercizes. The two exercizes have a value of about 9/24 each, while the questions overall contribute for 6/24 to the final mark. The written exam lasts 3 hours.


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