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Sistemi energetici e turbomacchine

Area bacheca: 259&

Contatti: Prof. Antonio Perdichizzi
Sede: Dipartimento di Ingegneria e scienze applicate - Neuovo edificio Laboratori - Dalmine (BG)
Email: antonio.perdichizzi@unibg.it
Tel.: ++39.035.2052011
Web: www.unibg.it/estlab



Il gruppo di Sistemi energetici e turbomacchine svolge attività di ricerca in una vasta gamma di argomenti riconducibili alle soluzioni impiantistiche, convenzionali e avanzate, per la produzione di energia elettrica e termica, al variare della taglia. Il gruppo possiede competenze in attività sperimentali e di modellazione mirate alla valutazione delle prestazioni di sistemi energetici complessi, con l'obiettivo di aumentarne l'efficienza energetica.

Staff: 1 professore ordinario, 2 professori associati, 1 ricercatore, 2 tecnici di laboratorio, assegnisti di ricerca e dottorandi in numero variabile.

Staff permanente:

Le attività di ricerca spaziano nei seguenti ambiti:

1. Impianti di potenza ed efficienza energetica

La modellazione di sistemi energetici convenzionali ed avanzati, alimentati da fonti fossili o rinnovabili, consente di valutarne le prestazioni, al variare della tipologia di impianto. È possibile prevedere il funzionamento dell'intero sistema o di singoli elementi, in condizione di progetto e di "fuori progetto".
Le procedure utilizzate prevedono l'uso di programmi commerciali (Thermoflex®, TRNSYS®) combinati con codici sviluppati internamente (Matlab®, Fortran®, VBA). Ciò consente di coprire una vasta gamma di soluzioni basate su: turbine a gas (GT), turbine a vapore, stoccaggio del freddo, condensatori ad aria / acqua, frigoriferi a compressione / assorbimento, sistemi a raffrescamento solare, dissalatori a bassa temperatura, solare termodinamico a concentrazione (CSP).
A titolo di esempio, sono state analizzate soluzioni per incrementare la potenza elettrica prodotta da un ciclo combinato, mediante raffreddamento dell'aria in ingresso alla GT con accumulo di energia frigorifera.

Ciclo combinato con raffreddamento dell'aria in ingresso alla GT


Effetti del raffreddamento dell'aria in ingresso alla GT sulla potenza prodotta

2. Solare termodinamico a concentrazione (CSP)

Si tratta dell'insieme delle tecnologie finalizzate a convertire radiazione solare in energia elettrica, mediante sistemi a concentrazione ottica e cicli termodinamici. Il gruppo sviluppa la modellistica per una simulazione accurata del funzionamento di questi impianti per diversi schemi funzionali, al variare delle condizioni ambientali (radiazione solare, temperatura, umidità). È possibile analizzare diverse configurazioni impiantistiche in termini di ciclo di potenza (ciclo Rankine, ISCC_Integrated Solar Combined Cycle, ORC_Organic Rankine Cycle), campo solare (eliostati con torre centrale, collettori parabolici, Fresnel), fluido di lavoro (olio diatermico, sali fusi, DSG_Direct Steam Generation), con o senza storage. La modellazione si basa sull'interazione fra Thermoflex®, per la sezione di potenza, e TRNSYS® per il campo solare.

Solare termodinamico a concentrazione (TRNSYS® e Thermoflex®)

3. Turbomacchine - Studio aerodinamico e termico delle turbine a gas

L'attività nel settore delle turbomacchine è finalizzata allo studio degli aspetti termo-fluidodinamici di palettature statoriche e rotoriche di turbine a gas. Il gruppo ha maturato consolidate competenze nel campo delle indagini sperimentali su palettature di alta e bassa pressione, anche raffreddate, mediante test in galleria del vento. Dettagliati rilievi aerodinamici e termici consentono di verificare le diverse soluzioni costruttive individuando quelle più efficienti. A tale scopo sono state messe a punto tecniche di misura avanzate per l'analisi di flussi tridimensionali, non stazionari, subsonici e transonici nelle macchine e nei loro componenti. L'attrezzatura necessaria per le indagini sperimentali è disponibile presso il laboratorio EST.

3.1. Caratterizzazione delle prestazioni aerodinamiche di palettature di turbina a gas

L'analisi dell'evoluzione dei flussi secondari è condotta in dipendenza dell'angolo di incidenza del flusso sulla pala, del numero di Mach e della geometria della palettatura. È stata inoltre valutata l'influenza della geometria delle pareti di estremità (endwall contouring) sulle strutture vorticose di valle. Le misure del campo di moto 3D a valle delle schiere impiegano sonde miniaturizzate a 5 fori per la valutazione delle perdite di profilo e secondarie, della vorticità e della deviazione del flusso nelle zone di estremità (overturning e underturning). Ulteriori misure aerodinamiche includono il carico palare e l'evoluzione dello strato limite lungo i profili. Visualizzazioni a olio completano la caratterizzazione delle strutture di flusso.

Flussi secondari a valle di una schiera rotorica


Visualizzazioni a olio in una schiera statorica

3.2. Caratterizzazione del raffreddamento a film in schiere statoriche e rotoriche di turbina a gas

Tecniche di misura quali cristalli liquidi termocromici (TLC) e Pressure Sensitive Paint (PSP) sono impiegate per ottenere la distribuzione dell'efficienza adiabatica di raffreddamento sulle superfici raffreddate delle pale e/o delle pareti di estremità. Le soluzioni indagate comprendono il raffreddamento di: bordo d'uscita di pale statoriche con geometria "cutback"; bordo di attacco di pale statoriche mediante "showerhead"; ventre / dorso delle pale e pareti di estremità mediante matrici di fori opportunamente disposti.

Distribuzione dell'efficienza adiabatica di raffreddamento sulla parete di estremità di una schiera statorica

3.3. Raffreddamento a film su lastra piana

La galleria del vento per test a bassa velocità su lastra piana consente una completa caratterizzazione delle prestazioni aero-termodinamiche di diverse geometrie di fori di iniezione (cilindrici, conici, svasati). Le indagini sperimentali includono il rilievo del campo di moto medio e turbolento, visualizzazioni del flusso, misure di efficienza adiabatica di raffreddamento, oltre che misure della distribuzione 2D di temperatura / velocità lungo traverse normali al getto, al variare della portata di refrigerante iniettata. La principale finalità è lo studio di dettaglio dell'interazione del getto di refrigerante con il flusso principale, al crescere della portata iniettata.

Raffreddamento a film su lastra piana: distribuzioni 2D di velocità

4. Efficienza energetica negli edifici

Un altro settore di competenza del gruppo riguarda l'energetica attiva degli edifici, con particolare riferimento alle prestazioni del sistema integrato edificio-impianto. Partendo dalla simulazione dei carichi termici dell'involucro edilizio, si analizzano e confrontano le prestazioni di diverse configurazioni impiantistiche (pompe di calore, microcogeneratori, collettori solari, sistemi di trigenerazione?). Lo strumento impiegato per la simulazione dinamica del sistema edificio-impianto è il codice TRNSYS, integrato con Google Sketch-Up.

TRNSYS deck e calcolo del carico termico

5. Analisi delle prestazioni di componenti automotive

Indagini sperimentali aerodinamiche e termiche condotte su diversi componenti automotive hanno in comune l'obiettivo di migliorarne la capacità di smaltire calore. Banchi prova dedicati per dischi freno, ventilatori e radiatori sono disponibili presso il laboratorio EST.

Distribuzioni di velocità e temperatura in un disco freno auto ventilante