00663 - MACCHINE

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo, lo studente conosce e comprende i principali fenomeni che regolano il funzionamento e determinano il dimensionamento di: pompe dinamiche, pompe volumetriche, turbine idrauliche, motori a combustione interna. L'impostazione segue il passaggio dalla regola fisica di validità generale alla sua applicazione alla singola macchina, evidenziando le conseguenze sulle prestazioni e sul dimensionamento della macchina stessa. Particolare attenzione si pone poi alla necessità di regolazione.

Contenuti

1- Cicli termodinamici: Otto, Diesel, Sabathè. Diagrammi T-s e p-V. Calcolo del rendimento termodinamico per il ciclo Sabathè. Ipotesi di studio (macchina ideale, fluido ideale, ciclo chiuso).

2- Diagrammi T-s: confronto tra i cicli fissato il rapporto di compressione, a parità di calore introdotto. Confronto cicli a rapporto di compressione diverso, con stessa pressione massima.

3- Temperatura media dei gas di scarico.

4- Ciclo limite, effetti di variazione capacità termica, variazione composizione, dissociazione CO2.

5- Diagrammi di indicatore reali, rendimento indicato, rendimento organico.

6- Combustione, rapporto A/F, lambda, bilanciamento reazione di base (C43H84).

7- Determinazione della potenza per via termica. Definizione dei vari termini di rendimento. Definizione di tonalità termica per motori ad accensione comandata e per compressione. Pressione media effettiva e pressione media indicata. Consumo specifico. Gradi di libertà per modificare e regolare la potenza del motore, in motori ad accensione comandata e per compressione.

8- Effetto di velocità di rotazione e carico su rendimento organico, rendimento di combustione, rendimento indicato.

9- Curve di prestazione: P, C, Cs, per motori ad accensione comandata e per compressione. Superfici di livello iso-consumo effetti del downsizing e downspeeding.

10- Regolazione: modalità per quantità/qualità: effetto della regolazione sul diagramma di indicatore di un motore ad accensione comandata, differenze rispetto a motore ad accensione per compressione.

11- La combustione: descrizione fenomenologica del processo (rif. Ferrari) a partire da eq. Arrhenius. Combustione premiscelata e diffusiva. Autoaccensione di una miscela omogenea, tempo di induzione.

12- La combustione con propagazione del fronte di fiamma: incubazione, velocità laminare, dipendenze da T, p, lambda. Velocità di propagazione turbolenta.

13- La propagazione della combustione diffusiva, eterogeneità della miscela, confronto con propagazione del fronte di fiamma, conseguenze sulla regolazione e sulle emissioni (cenni).

14- Relazione tra fasi di combustione e formazione della pressione nel cilindro.

15- Modello di combustione, espressione del rilascio di calore (dal primo principio). Andamenti di Qch e Qn in funzione di q. Significato dei membri dell’espressione del calore netto. Effetto dei parametri di controllo (anticipo di accensione) sullo sviluppo della combustione (ROHR), definizione MFB50,

16- Dispersione ciclica, distribuzione MFB50. Curva a ombrello.

17- Necessità di variare l’anticipo con la velocità per mantenere costante dQ/dq, dipendenza velocità di combustione da giri e carico.

18- Combustioni anomale nei motori ad accensione comandata: accensione per superficie, detonazione: descrizione del fenomeno. Detonazione: effetti dei parametri progettuali e di controllo sulla probabilità che il fenomeno si manifesti. Osservazione dati sperimentali. Proprietà del combustibile: numero di ottano.

19- Combustione diffusiva. Combustione nei motori ad accensione per compressione. Descrizione fenomenologica della combustione diffusiva. Rilascio di calore in 4 fasi e curva di pressione. Ruvidità di funzionamento, lentezza di combustione.

20- Ritardo all’accensione: numero di cetano. Superamento dei limiti della combustione diesel attraverso adozione common rail. Differenze motori ad accensione comandata vs ad accensione per compressione, diverse esigenze in termini di Numero di Ottano, volatilità, e implicazioni sulla possibilità di regolazione.

21- Inquinamento causato da m.c.i: principali specie chimiche inquinanti/climalteranti e loro meccanismi di formazione. Normative per la riduzione degli inquinanti: cenni.

22- Sensibilità delle emissioni inquinanti alla regolazione (lambda) per motori ad accensione comandata. Utilizzo del catalizzatore trivalente per l’abbattimento delle emissioni inquinanti: curve di efficienza in funzione di lambda. Uso della sonda HEGO/UEGO per il controllo del titolo.

23- Influenza di egr, anticipo, numero di giri e carico sulle emissioni inquinanti dei motori ad accensione comandata. Uso di EGR, aria secondaria, riscaldamento catalizzatore.

24- Formazione degli inquinanti e effetto delle condizioni operative (carico, prail, pboost) e dei parametri di controllo per motori ad accensione per compressione.

25- Sistemi di riduzione degli inquinanti per motori ad accensione per compressione: DOC, EGR, DPF, SCR, LNT (cenni).

26- Sistemi di regolazione: modifica della coppia erogata agendo su densità del fluido e/o tonalità termica. Gestione della coppia (azione lenta/veloce) schemi di controllo di massima, per motori ci e si.

27- Necessità di calcolo della portata d’aria istantanea, sistemi speed-density, alfa-n, MAF per motori ad accensione comandata, caratteristica iniettore, caratteristiche attuazioni bobina e iniettori (fasatura iniezioni).

28- Motori ad accensione comandata: determinazione della massa di benzina in open loop e correzione in closed loop.

29- Velocità media del pistone, pressione di inerzia, pressione sullo spinotto, rapporto corsa/diametro.

30- Frazionamento della cilindrata: effetto su potenza, regolarità di erogazione della coppia (cenni), compensazione delle forze alterne (cenni).

31- Principio di conservazione dell’energia per sistemi chiusi e per sistemi aperti.

32- Principio di conservazione dell’energia per sistemi aperti in forma meccanica, equazione di Eulero e delle energie cinetiche.

33- Pompa centrifuga: architettura, bilanciamento delle spinte assiali

34- Triangoli di velocità (pale avanti/indietro), canale palare. Determinazione della prevalenza teorica.

35- Prevalenza reale, prevalenza a portata nulla.

36- Pompe in serie e in parallelo. Individuazione punto di funzionamento.

37- Rendimento idraulico, rendimento meccanico, rendimento volumetrico. Similitudine fluidodinamica, rendimento idraulico (curve iso-rendimento paraboliche). Diagramma collinare del rendimento totale;

38- Determinazione della caratteristica gH-Q per un diverso numero di giri. Regolazione: valvola di strozzatura, efficienza nella regolazione. Altro possibile metodo di regolazione: bypass. Regolazione con variazione di velocità (inverter).

39- Applicazione del Teorema di Buckingam per la definizione delle dipendenze funzionali della potenza dai parametri dimensionali. Definizione coeff. Potenza, coeff carico e coeff flusso. Curve caratteristiche coeff. Portata-coeff. Carico/potenza.

40- Definizione parametri adimensionali per la progettazione delle pompe: diametro specifico, velocità specifica; diagramma di Balje e curva a diametro ottimizzato (Cordier). Scelta della tipologia di macchina sul diagramma di Balje, opzione delle pompe pluristadio e in parallelo.

41- Sequenza di dimensionamento: determinazione dei triangoli di velocità a partire dai dati di progetto, con impiego dei rapporti dimensionali. Dimensionamento di massima della girante, variazione delle dimensioni caratteristiche al variare della velocità specifica. Limiti della trattazione di Eulero: difetto di deviazione della vena, coppia assorbita.

42- Problematiche di funzionamento: adescamento. Cavitazione: definizione NPSH, condizioni di cavitazione, andamento NPSH in funzione di Q.

43- Determinazione sperimentale dell’NPSH: descrizione impianto.

44- Pompe a flusso assiale: architettura, triangoli di velocità.

45- Pompe volumetriche: definizione di cilindrata, caratteristiche teorica e reale, differenze con le pompe dinamiche, problematiche di funzionamento. Pompe volumetriche rotative: schema pompe a palette.

46- Determinazione del lavoro e della potenza assorbita dalla pompa.

47- Regolazione, differenze con pompe centrifughe. Regolazione con strozzatura mandata, by-pass, ricircolo con valvola veloce.

48- Pompe a ingranaggi, pompe a lobi.

49- Pompe volumetriche: architettura pompe alternative, diagramma di indicatore.

50- Turbine idrauliche: energia disponibile, lavoro, rendimenti (condotta, salto hp, bocchello, girante).

51- Turbina Pelton: architettura, moto del fluido, funzionamento e rendimento del distributore. Forma delle pale.

52- Triangoli di velocità, condizioni di massimo rendimento, curve caratteristiche (rendimento in funzione di u/c1, diagramma collinare, rendimento in funzione di portata, coppia in funzione di u/c1, diagrammi in coordinate ridotte).

53- Numero massimo di pale. Numero minimo di pale.

54- Limiti della macchina per elevate portate e bassi salti. Pelton a più getti. Turbina Francis, introduzione.

55- Turbina Francis: architettura, moto del fluido (due viste), bilanciamento spinte assiali. Recupero di energia allo scarico, cavitazione.

56- Triangoli di velocità, condizioni di lavoro massimo, parametri che influenzano l’indice caratteristico. Distributore, prestazioni, mutazione della struttura della macchina al variare dell’indice caratteristico: da Pelton a Frencis a elica.

57- Turbine a elica: schema della macchina, triangoli di velocità, prestazioni.


Testi/Bibliografia

V. Dossena, G. Ferrari, P. Gaetani, G. Montenegro, A. Onorati, G. Persico, Macchine a Fluido, Città Studi Edizioni, 2015

G. Cornetti, F. Millo, Macchine a Gas, Il Capitello, Torino, 2015

Metodi didattici

Lezione frontale, effettuata alla lavagna. Per alcuni approfondimenti si utilizza materiale (presentazioni, dati, animazioni) video-proiettato.

Gli argomenti verranno esposti secondo il seguente schema:

- descrizione della macchina (schema costruttivo)

- elaborazione di un modello che ne sintetizzi il comportamento

- individuazione delle equazioni descrittive del comportamento

- ottimizzazione delle prestazioni, criticità, individuazione di regole per il proporzionamento

- regolazione dei fattori di potenza

La frequenza è fortemente consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni, ma non incide sul processo di valutazione finale.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame orale a fine corso.

Vengono fatte tre domande sui tre macro argomenti del corso (Pompe, Turbine, Motori): a ciascuna di esse viene attribuito un punteggio da zero a dieci, che concorre alla formazione del voto finale (in trentesimi). Le domande sono prelevate dalla lista dei 57 argomenti del programma.

Per rispondere alla domanda in maniera esaustiva si richiede allo studente la capacità di descrivere il funzionamento della macchina in maniera analitica (equazioni, modelli matematici) e grafica (disegni, diagrammi), oltre che discorsiva, sulla base di quanto mostrato a lezione. 

L’insegnamento di Macchine (6 CFU) è uno dei due moduli che, insieme al corso di Sistemi Energetici (6 CFU), costituisce il corso integrato di Macchine e Sistemi Energetici  (12 CFU). La votazione che verrà verbalizzata sarà data dalla media aritmetica delle singole votazioni che lo studente avrà ottenuto nei due moduli. Se il risultato della media presenta il numero decimale 0.5 la votazione sarà arrotondata all’intero superiore. Il “30 e lode” viene associato al numero 31. Di conseguenza, per ottenere come valutazione finale “30 e lode” lo studente dovrà essere in uno dei due seguenti casi:

  • avere ottenuto “30 e lode” in entrambi i moduli
  • avere ottenuto “30 e lode” in un modulo e 30 nell’altro.

Il calendario delle prove è reso disponibile con ampio anticipo sulla piattaforma web AlmaEsami dell'Ateneo di Bologna. L’iscrizione all’appello è possibile da 7 a 2 giorni prima della data d’esame. Al momento della prova lo studente deve presentarsi con un documento di riconoscimento.

Strumenti a supporto della didattica

Estratti di libri, presentazioni e materiale multimediale per approfondire alcuni argomenti del corso. Il materiale compre l'intero programma del corso, ed è messo a disposizione sulla piattaforma di condivisione del materiale tra docenti e studenti, dopo che lo studente si è iscritto alla lista di distribuzione dell'anno accademico in cui segue il corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enrico Corti