INGEGNERIA CIVILE E ARCHITETTURA (DICAR)Ingegneria meccanicaAnno accademico 2023/2024

9794215 - THERMAL SYSTEMS

Docente: ARTURO PAGANO

Risultati di apprendimento attesi

Il corso ha l'obiettivo di fornire una dettagliata conoscenza teorica ed applicativa che consenta agli allievi di procedere al dimensionamento dei principali impianti termotecnici, con particolare riferimento:
- agli impianti di produzione di vapore e per la generazione e distribuzione del calore, per usi civili, industriali e per la generazione di potenza;
- alle tecnologie del freddo, per applicazioni civili ed industriali
- all'analisi ed alla caratterizzazione dei fabbisogni energetici per la climatizzazione degli edifici  
- agli impianti deputati alla climatizzazione degli ambienti civili

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'insegnamento verrà svolto mediante lo svolgimento di lezioni ed esercitazioni in aula o, qualora le condizioni lo richiedessero, in modalità mista o a distanza.

Prerequisiti richiesti

Contenuti dei corsi di termodinamica applicata, trasmissione del calore e macchine a fluido. 

Frequenza lezioni

Lo studente è tenuto a frequentare almeno il 70% delle lezioni del corso. L’iscrizione al corso è obbligatoria sul sito studium.unict.it.

Contenuti del corso

1. Richiami di Fisica Tecnica sui cicli termodinamici per la generazione di potenza e per la refrigerazione e sugli scambiatori di calore.
2. I combustibili, la combustione ed i prodotti della combustione: energia termica, fumi, ceneri e principali inquinanti.
3. Le fornaci ed i generatori di calore per applicazioni industriali e per la generazione di potenza. Tecnologie e sistemi di combustione per i generatori di calore.
4. Impianti frigoriferi e pompe di calore a compressione di vapore e ad assorbimento per usi civili ed industriali. 
5. Principi di Cogenerazione.
6. Caratteristiche dell'involucro edilizio e relative prescrizioni normative riguardanti il sistema edificio-impianto termico. Ventilazione degli ambienti confinati e benessere termoigrometrico. 
7. Impianti di riscaldamento ed impianti di climatizzazione per gli ambienti civili: principi e criteri di dimensionamento.

Testi di riferimento

Textbook 1 - Boilers for Power and Process, K. Rayaprolu, CRC Press - Taylor & Francis, 2009

Textbook 2 - Thermal Power Plant - Design and Operaration, D.K. Sarkar - Elsevier, 2015

Textbook 3 - Aria Umida - Climatizzazione ed involucro edilizio, L. Bellia, P. Mazzei, F. Minichello, D. Palma - Liguori Editore, 2006

Textbook 4 - Refrigeration, air conditioning and heat pumps, G.F. Hundy, A.R. Trott, T.C. Welch, ed. Butterworth-Heinemann (Elsevier). 

Textbook 5 - La ventilazione per una migliore qualità dell’aria, A. Magrini, M. Ozel-Ballot, 2ed - EPC libri, 2005.

Textbook  6 - Benessere termico e qualità dell'aria, G. Moncada Lo Giudice, M. Coppi - Ed. Masson 1997.

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Boiler Technology: Boiler classification criteria and design variables; general structure and energy analysis of a boiler. Schematic of the furnace-boiler set-up.Text 1 and 2
2Two-phase flows and the Nukiyama curve for pool and flow boiling: Departure from Nucleate Boiling and Critical Heat Flux. Evaluation of heat transfer coefficients.Text 1 and 2, course material
3Optimal and safe boiler operations. Natural and forced circulation schemes. Subcritical and supercritical boilers.Text 1 and 2, course material
4Water treatments for boilers: feedwater treatments and boiler water conditioning.Text 1 and 2
5Fuel constituents: Proximate Analysis and Ultimate Analysis. Fundamental phases of the combustion process for coals. Evaluation of stoichiometr combustion air and of excess air. Flue gas analysis.Text 1, course material
6Fuels classification and relevant characteristics of coals, oil, natural gas, waste and derived fuels, biomasses. Fuel ash and related issues: erosion, slagging and fouling, corrosion. Ash related design criteria for furnaces and boilers.Text 1, course material
7Technologies and firing equipment for boiler furnaces 1/2: Stocker-fired furnaces for boilers - mass burning stockers and spreader stockers; burners for oil and gas fired boilers and related furnace schemes; design criteria for Low-NOx burners; duct burners for Heat Recovery Steam Generators, HRSGs.Text 1 and 2
8Technologies and firing equipment for boiler furnaces 2/2: Pulverized Fuel boilers and related boiler structures, milling technology; Fluidized Bed Combustion technologies and issues related to inbed desulfurization; Bubbling Fluidized Bed Combustors, BFBCs; Circulating Fluidized Bed Combustors, CFBCs, cyclone technologies and related boiler design schemes.Text 1 and 2
9Optimal design of the boiler heating surfaces and related fuel and energy recovery issues. Dust collecting equipment and flue gas DeNOx and DeSOx treatments.Text 1, course material
10Refrigeration systems and Heat Pumps: fundamental thermodinamic cycles and advanced solutionsText 4, Course material
11Refrigeration systems and Heat Pumps: technologies and main components Text 4, Course material
12Energy analysisis of buildings. Transmittance evaluation and measurement, limitations imposed by the Italian legislation concerning: a) opaque elements; b) thermal bridges; c) transparent elements.Course material, CENED tables, Text 3
13Energy analysis of the building envelope 2/2 - Dynamical behaviour of the building envelope and related performances; Strategies for controlling solar radiation; Thermal-hygrometric perfomances.Course material, Text 3
14Legislative framework for Indoor Air Quality, IAQ . Natural and mechanical ventilation. Thermal comfort analysis and related building design issues.Course material, Text 5, Text 6
15HVAC systems: thermodynamics of humid air and psycrometric diagramsCourse material, Text 3
16HVAC systems: basic components and related processes; HVAC system classificationCourse material, Text 3
17HVAC systems: total air HVAC systemsCourse material, Text 3
18HVAC systems: primary-secondary air mixed HVAC systemsCourse material, Text 3
19HVAC systems: design test and exercisesCourse material
20Technologies for air conditioning: single and multi split autonomous air conditionerCourse material, Text 3
21Technologies for air conditioning: air distribution network, air grids and diffusers, water distribution network, fancoilsCourse material
22Domestic heating systems: types of heaters, distribution networkCourse material
23Presentation and use of a software tool for the energy analysis and classification of the performance of the building envelope and thermal plants.Course material

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consta di due parti: uno scritto ed un orale. All'orale si è ammessi previo superamento della prova scritta. Sia lo scritto sia l'orale mirano a verificare la capacità dell'allievo di discutere ed argomentare gli aspetti teorici della materia e di risolvere i problemi pratici e/o progettuali. Nel corso dell'esame orale, inoltre, sarà discussa una relazione prodotta nel corso delle attività esercitative svolte durante il corso.

Lo scritto è strutturato in domande teoriche, formulate in maniera da consentire una risposta sintetica, ed in problemi pratici di calcolo e/o progettuali di componenti ed impianti termotecnici.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti iscritti al CInAP possono concordare con il docente eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del DICAR.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

- Describe the general structure of a boiler or of the furnace-boiler set-up

- Discuss the terms accounted in the energy balance equation of a boiler

- Discuss the Nukiyama curve for pool or flow boiling

- Schematize the main natural and forced circulation schemes for boilers

- Discuss the fundamental phases of coal combustion

- Fuel ash and related issues: erosion, slagging and fouling, corrosion

- Ash related design criteria for furnaces and boilers

- Detailed description of the main firing technologies (stocker-fired, burners for oil, gas and pulverized coal; bubbling/circulating fluidized bed combustors; duct burners for heat recovery steam generators)

- Advanced cycles and related plant schemes for refrigerators and heat pumps

- Technologies and main components for refrigeration and heat pumps

- Energy analysisis and related legislative issues for the design of building envelopes: static transmittance of opaque elements, thermal bridges and transparent elements; dynamical behaviour of the envelope components

- Indoor air quality, indoor thermal comfort and related design issues

- HVAC systems: basic components and related processes; HVAC system classification

- HVAC systems: calculation of total air HVAC systems and of primary-secondary air mixed HVAC systems


English version