DOTTORATO DI RICERCA IN
ENERGETICA
TESTI DEI TEMI PER L’ESAME DI ACCESSO AL DOTTORATO DI RICERCA
IN ENERGETICA
XXIII CICLO
TEMA N. 1
TEMA A
Il candidato/a risponda al primo quesito e poi, a scelta, ad uno dei quesiti 2.1, 2.2,ed infine
ad uno dei quesiti 3.1, 3.2, 3.3
1.
Si illustri il primo principio della termodinamica analizzandone gli aspetti fisici e
matematici; si sviluppi l’espressione nel caso di un sistema aperto non stazionario e si
indichi un esempio applicativo nell’ambito dei sistemi energetici.
2.1 Il candidato/a risolva numericamente l’esercizio sotto indicato:
Un impianto per la produzione congiunta di potenza elettrica e termica utilizza come motore
primo un motore alternativo stazionario alimentato con gas metano.
Sono noti:
- taglia del motore 1 MW; consumo specifico qb = 200 g/kWh;
- sovralimentazione con turbina a gas di scarico;
- condizioni ambiente standard (1 atm, 20 °C);
- potere calorifico combustibile nelle condizioni di alimentazione: Hi = 50 MJ/kg;
- rapporto massa d’aria / massa di combustibile = 20;
- temperatura dei fumi tf = 620°C.
Facendo opportune ipotesi su eventuali dati mancanti, si valuti la potenza termica
complessivamente recuperabile dal gruppo cogenerativo, nonchè le prestazioni energetiche
del gruppo.
(cp = 1,05 kJ/kgK; cp’ = 1,129 kJ/kgK, R = 287 J/kgK, R’ = 288 J/kgK)
2.2 Un condotto in lega metallica trasporta una portata di 0.03 kg/s e attraversa un ambiente con
aria all’esterno del condotto a 15°C. Se in una data sezione si misura una temperatura del
gas pari a 900°C, calcolare:
- il flusso termico per unità di lunghezza locale;
- le temperature sulle pareti interna ed esterna del condotto.
Condotto: raggio interno 50 mm, raggio esterno 55 mm, conduttività termica 5.2 W/(mK)
Gas interno: calore specifico 1280 J/(kgK), viscosità dinamica 46*10-6 kg/(ms), densità 0.3
kg/m3, conduttività termica 0.075 W/(mK)
Assumere un deguato coefficiente convettivo per aria esterna, e calcolare il coefficiente
convettivo del gas interno.
3.1 Si schematizzi il ciclo del combustibile nucleare per un reattore ad acqua leggera da 1000
MWe e si discuta quali parti del ciclo sono le più rilevanti ai fini della questione della
proliferazione nucleare.
3.2 Espansione adiabatica o con palettature refrigerate in un turboespansore.
3.3 Effettuare una analisi delle condizioni di convenienza energetica dell’utilizzo di una pompa
di calore per il riscaldamento di un ambiente.
TEMA N. 2
TEMA B
Il candidato/a risponda al primo quesito e poi, a scelta, ad uno dei quesiti 2.1, 2.2,ed infine
ad uno dei quesiti 3.1, 3.2, 3.3
1
Nello scambio termico per irraggiamento, si definiscano i concetti di corpo nero e di
emissività, e si enuncino le equazioni che regolano lo scambio di energia radiante tra corpi
neri.
2.1 Il candidato/a risolva numericamente l’esercizio sotto indicato:
Un impianto per la produzione congiunta di potenza elettrica e termica utilizza come motore
primo una turbina a gas alimentata con gas metano.
Sono note:
- taglia della turbina a gas 10 MW; consumo specifico qb = 250 g/kWh;
- condizioni ambiente standard (1 atm, 20 °C);
- potere calorifico combustibile nelle condizioni di alimentazione: Hi = 50 MJ/kg;
- rapporto massa d’aria / massa di combustibile = 58.
Facendo opportune ipotesi su eventuali dati mancanti, si valuti la potenza termica
complessivamente recuperabile dal gruppo cogenerativo, nonchè le prestazioni energetiche
del gruppo.
(cp = 1,05 kJ/kgK; cp’ = 1,129 kJ/kgK, R = 287 J/kgK, R’ = 288 J/kgK)
2.2 Si consideri una pompa di calore a gas che aspira aria dall’ambiente a 0.96 bar e 2°C, la
quale aria in successione è prima compressa adiabaticamente fino a 2 bar, raffreddata in uno
scambiatore nel quale cede calore ad un ambiente a 18°C uscendone a 30°C, espansa in una
turbina adiabatica e al termine re-immessa di nuovo in ambiente. La potenza termica ceduta
all’ambiente da scaldare è di 350 kW. Si assumano idonei valori dei rendimenti isoentropici
del compressore e della turbina.
Per ognuno dei 3 componenti del sistema, calcolare il flusso di entropia prodotta e il tasso di
exergia distrutta.
(k = 1,4; R = 287 J/kgK)
3.1 Quali grandezze si utilizzano nella descrizione dell’interazione delle radiazioni ionizzanti
con la materia, sia vivente che inanimata? Attraverso quali meccanismi avviene l’interazione
dei raggi gamma e dei neutroni con la materia?
3.2 Sistemi di iniezione per motori alternativi ad accensione per compressione.
3.3 Impostare la trattazione del problema dello scambio termico per convezione forzata
all’interno di condotti.
TEMA N. 3
TEMA C
Il candidato/a risponda al primo quesito e poi, a scelta, ad uno dei quesiti 2.1, 2.2,ed infine
ad uno dei quesiti 3.1, 3.2, 3.3
1. Si dia la definizione di entropia (si consideri l’equazione di Secondo Principio), si sviluppi il
bilancio entropico in un sistema aperto in regime permanente che scambia lavoro e calore
con un ambiente esterno a temperatura Ta e con una sorgente a temperatura Ts, e infine si
discuta l’utilità dell’analisi di Secondo Principio nella valutazione di un sistema energetico a
scelta
2.1 Il candidato/a risolva numericamente l’esercizio sotto indicato:
Una turbina a gas è alimentata nelle condizioni p3 = 12 bar, t3 = 1150 °C e scarica a
p4 = 100 kPa.
Calcolare il lavoro di espansione ottenuto nel caso tradizionale di espansione adiabatica
( yt =0,84) e quello ottenibile effettuando una espansione reale ad entropia costante.
Si ipotizzi che le perdite per resistenze passive siano le stesse nei due casi e si assumano i
necessari parametri di funzionamento usuali per un turbogas attuale.
Commentare quindi i risultati ottenuti dal punto di vista energetico.
(cp’ = 1,129 kJ/kgK, R’ = 288 J/kgK)
2.2 Un cilindro orizzontale termicamente isolato, chiuso da entrambe le estremità, è diviso a
metà (formando due camere con VA=VB=5 m3 ciascuna) da un pistone libero di muoversi
senza attrito e costituito da un materiale che è un perfetto isolante termico; la camera di
destra contiene Azoto, quella di sinistra Idrogeno, che sono inizialmente nelle stesse
condizioni, ad una pressione iniziale pi=4 bar ed una temperatura iniziale Ti=80°C. Un
riscaldatore a resistenza elettrica (supposto a temperatura costante TR=2000 K) è installato
nella camera di sinistra e ad esso è fornita energia in modo da far salire la pressione della
camera. In tal modo, il pistone è spostato verso la camera di destra, facendo sul gas ivi
contenuto un lavoro LAB=100 kJ, fino a che non si arriva all’equilibrio delle pressioni delle
due camere. Si determini la quantità di calore fornita dal riscaldatore elettrico. Si determini
inoltre la produzione di entropia per irreversibilità nelle due camere e la produzione di
entropia per irreversibilità totale del sistema.
Per l’Idrogeno e per l’Azoto si assumano i seguenti valori della massa molecolare:
MH2=2.02 kg/kmol MN2=28.02 kg/kmol
3.1 Si descrivano i principali componenti di un reattore a fusione nucleare di tipo tokamak e le
funzioni assolte da ogni componente.
3.2 Sovralimentazione nei motori alternativi.
3.3 Si descriva il ciclo Rankine ed il ciclo Rankine a risurriscaldamento di vapore, si traccino i
cicli in coordinate T-s ed h-s, si indichino i vantaggi dell’introduzione del
risurriscaldamento del vapore e si ricavi l’espressione del loro rendimento.
