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DINAMICA E REGOLAZIONE DELLE MACCHINE E DEI SISTEMI ENERGETICI

CODICE 60318
ANNO ACCADEMICO 2022/2023
CFU
  • 6 cfu al 2° anno di 9270 INGEGNERIA MECCANICA - ENERGIA E AERONAUTICA(LM-33) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-IND/09
    LINGUA Italiano
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 2° Semestre
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

    Il corso affronta la teoria e la pratica della dinamica e controllo dei sistemi energetici, sia a scala di laboratorio che a scala industriale.

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    OBIETTIVI FORMATIVI

    L'insegnamento si propone di fornire agli studenti la capacità di comprendere e quantificare i principali fenomeni dinamici nelle macchine e sistemi energetici, attraverso la padronanza delle tecniche di simulazione dinamica e controllo. La simulazione viene implementata mediante l'ausilio di Matlab-Simulink, la cui conoscenza viene approfondita nello svolgimento del corso. Le esercitazioni svolte in classe riguardano principalmente la modellistica statica e dinamica di turbine a gas e relativi componenti.

    OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

    Al termine del corso lo studente è in grado di:

    - comprendere la dinamica dei principali componenti dei sistemi energetici

    - interpretare criticamente le performance in transitorio degli impianti per l'energia

    - realizzare modelli di simulazione dinamica delle macchine e dei sistemi energetici

    - valutare le scale temporali dei principali fenomeni dinamici

    - progettare sistemi di controllo per gli impianti energetici e le relative macchine

    - stabilizzare i sistemi di controllo per impianti di processo

    PREREQUISITI

    Propedeuticità: Impianti per l'Energia

    MODALITA' DIDATTICHE

    Lezioni,esercitazioni e laboratorio

    PROGRAMMA/CONTENUTO

    Introduzione allo studio dei servocomandi (Scheda A)

    (fornita nelle dispense ma non affrontata a lezione)

    Richiami di studio matematico dei sistemi dinamici (Scheda B)

    (fornita nelle dispense ma non affrontata a lezione)

    Richiami di modelli dinamici lineari (Scheda C)

    Sistemi a stati continui e stati discreti. Linearizzazione. Richiami di: trasformata secondo Laplace, funzioni di trasferta, poli e zeri, risposta in frequenza, diagramma di Bode, filtri di segnale.

    Esercizi: C1) Linearizzazione dello schema elettrico di Fig. 3.1, con disturbi esterni. C2) Modello dinamico a stati (esempio 3.6). C3) Linearizzazione di un serbatoio piezometrico. C4) Linearizzazione di un serbatoio di gas (plenum). C5) Modello dinamico a stati di fornace.

    Sistemi digitali (Scheda D)

    Campionamento dati. Trasformata z. Cenni all’integrazione numerica. Cenni alle macchine a stati tramite Stateflow.

    Esercizi: D1) Integratore e derivatore discreti, D2) Esempio di Stateflow applicato al controllo di una fornace.

    Controllo PID classico  (Scheda E)

    Struttura del PID. Tuning mediante Ziegler-Nichols oscillation method. Tuning mediante la curva di reazione. Tuning mediante assegnazione dei poli.

    Esercizi: F1) Esempi di tuning empirico di PID. F2) Tuning di controllore PID per fornace.

    Modelli dinamici di sistemi energetici (Scheda F)

    Equazioni di base. Il modello “dynamic” e “lumped volume”. Il componente “plenum”. Caratterizzazione temporale.

    Esercizi: F1) Modello di plenum. F2) Compilazione automatica di modelli.

    Componentistica principale e modelli dinamici (Scheda G)

    Flussi e componenti Active/Inactive. Mixer-splitter. Matcher. Le valvole di controllo. Albero rotante. Piping. Scambiatore di calore. Compressore dinamico. Espansore dinamico (a gas e a vapore). Combustore di turbina a gas. Generatore elettrico. Caldaia e rete di teleriscaldamento.

    Esercizi: G1) Modello di shaft. G2) Modello di pipe. G3) Esempio di network di teleriscaldamento.

    Controllo delle turbine a gas (Scheda H)

    Controllo di una turbina a gas. Controllo di una microturbina a gas. Controllo di una microturbina a gas a combustione esterna. Controllo del turbogetto e turbofan. Rappresentazione matematica semplificata di una turbina a gas. Cenni al controllo degli M.C.I..

    Esercizi: H1) Rappresentazione semplificata di TG. H2) Off-design di mGT. H3) Dinamica e controllo di mGT con e senza volume. H4) Instabilità di un sistema pompa/serbatoio.

    Sistemi di Compressione (Scheda I)

    I sistemi di compressione basati su compressori dinamici; l’interazione dinamica fra il compressore ed il sistema; condizioni di instabilità statica e dinamica; pompaggio e stallo rotante; il modello di Greitzer e l’influenza delle dimensioni del volume di valle sulle traiettorie del sistema; tecniche per limitare l’insorgere del pompaggio in turbine a gas o sistemi di compressione. Cenno ai sistemi di controllo attivo e passivo.

    Controllo degli impianti (Scheda L)

    Controllo degli impianti a vapore. Controllo delle turbine a vapore. Controllo dei cicli combinati.

    TESTI/BIBLIOGRAFIA

    G.C. Goodwin, S. F. Graebe, M. E. Salgado, “Control System Design”, Prentice Hall, 2001, disponibile all’indirizzo http://csd.newcastle.edu.au/index.html

    G. Bacchelli, F. Danielli, S. Sandolini, “Dinamica e Controllo delle Macchine a Fluido”, Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna, Officine Grafiche Pitagora-Tecnoprint.

    Informazioni circa il reperimento del materiale bibliografico indicato vengono fornite direttamente dal Docente.

    Le dispense sono reperibili su aula web.

    DOCENTI E COMMISSIONI

    Commissione d'esame

    STEFANO BARBERIS (Presidente)

    MARIO LUIGI FERRARI

    LOREDANA MAGISTRI

    LUCA MANTELLI

    ALBERTO TRAVERSO

    LEZIONI

    Orari delle lezioni

    L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    L’esame consta di una parte orale ed una parte dedicata alla discussione di un progetto autonomamente proposto dallo studente (e precedentemente approvato dal docente): tale progetto deve riguardare i contenuti del corso. Di seguito vengono riportati alcuni esempi.

    Esempio 1: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un compressore assiale per il pompaggio del gas naturale accoppiato al gasdotto, ed implementazione del relativo controllo PID.

    Esempio 2: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un network di trasporto di vapore di processo, con valvole di parzializzazione, ed implementazione del relativo controllo a stati mediante Stateflow.

    Esempio 3: modellizzazione dinamica in Matlab-Simulink di un Auxiliary Power Unit (microturbina a ciclo semplice) per aerei passeggeri, ed implementazione del relativo controllo di velocità.

    MODALITA' DI ACCERTAMENTO

    Progetto scritto in gruppo di lavoro: tale prova consentirà di valutare la capacità di elaborazione personale dello studente degli argomenti presentati a lezione, nonché l'attitudine a porre nella pratica ingegneriestica le nozioni teoriche apprese. Lo scritto viene valutato nella sua completezza, organizzazione, chiarezza e completezza di esposizione, analisi dei risultati.

    Domanda orale: tale prova consentirà di valutare la capacità logica dello studente nel dimostrare concetti affrontati a lezione e giustificati/quantificati mediante formule matematiche. La prova orale viene valutata nella chiarezza espositiva, correttezza delle dimostrazioni, familiarità con gli argomenti trattati a lezione.

    Calendario appelli

    Data Ora Luogo Tipologia Note
    17/02/2023 09:30 GENOVA Esame su appuntamento
    14/09/2023 09:30 GENOVA Esame su appuntamento

    ALTRE INFORMAZIONI

    Propedeuticità :

    Turbomacchine e Impianti per l’Energia.