29674 - MACCHINE T

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture Consumo e produzione responsabili Agire per il clima

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente acquisisce conoscenze di base sul funzionamento, sulle prestazioni e sulla progettazione di massima delle principali tipologie di macchine a fluido.

Programma/Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

I prerequisiti necessari per seguire efficacemente il corso sono le nozioni di base della fisica tecnica (diagrammi termodinamici, primo e secondo principio della termodinamica, leggi dei gas, l’equazione del moto dei fluidi) di chimica (bilanciamento di reazioni chimiche elementari) e di disegno (schemi a mano libera).

Le lezioni sono tenute in italiano.

                                        PROGRAMMA

Pompe volumetriche

Architettura della pompa volumetrica alternativa, diagramma di indicatore ideale e reale, determinazione della curva caratteristica ideale e reale al variare del numero di giri, definizione del rendimento totale della macchina in funzione del rendimento volumetrico e idromeccanico e loro dipendenza dal numero di giri e dalla differenza di pressione operativa.

L'andamento della portata della pompa alternativa a singolo effetto e sua regolarizzazione con la pompa alternativa a doppio effetto e con i polmoni pneumatici all'aspirazione e mandata. Le pompe a pompanti multipli. Ragione del numero dispari dei pompanti multipli.

Le diverse tipologie di pompe volumetriche: pompe ad ingranaggi esterni ed interni, pompe a palette, pompe a membrana, pompe peristaltiche, pompe a vite.

Pompe centrifughe

Studio del flusso in un canale rotorico: espressione del lavoro mediante l’equazione delle energie cinetiche e derivazione dell’equazione di Eulero. Architettura della pompa centrifuga in conseguenza dell’equazione del lavoro mediante le energie cinetiche, triangoli di velocità all’aspirazione e alla mandata e suo funzionamento. Definizione di prevalenza teorica di una pompa centrifuga in funzione della portata volumetrica elaborata dalla pompa, in funzione dell'angolo di uscita delle pale (pale avanti, radiali e all'indietro). Andamento delle perdite nella pompa centrifuga e determinazione della prevalenza reale in funzione della portata elaborata. Calcolo della prevalenza a portata nulla. Legame tra prevalenza e incremento di pressione.

Il rendimento totale, idraulico e meccanico di una pompa centrifuga, andamento della potenza e della coppia per data velocità di rotazione della girante.

La similitudine idraulica per ottenere la curva caratteristica della pompa centrifuga a velocità di rotazione diversa rispetto alla caratteristica ottenuta sperimentalmente.

Il problema dell'adescamento di una pompa centrifuga. Calcolo della pressione all'aspirazione della pompa.

Il fenomeno della cavitazione, la definizione dell'NPSH della pompa e dell'impianto, considerazioni sulle condizioni per le quali si verifica la cavitazione e utilizzo del diagramma dell’NSH per verificare il corretto posizionamento della pompa in un circuito.

Cenno al dimensionamento di massima di una pompa centrifuga. Il passaggio dalla pompa centrifuga alla pompa ad elica al diminuire della prevalenza e all’aumentare della portata richiesta alla pompa. Necessità delle pale svergolate: i triangoli di velocità vicino al mozzo e all’estremità della pala nella pompa ad elica.

Il passaggio alla pompa centrifuga pluricellulare per elevati valori della prevalenza. L’equilibramento delle spinte assiali del complesso delle giranti nella pompa pluricellulare.

Determinazione del punto di funzionamento di una pompa inserita in un circuito idraulico

Determinazione della curva caratteristica di pompe disposte in serie e in parallelo.

Determinazione della resistenza idraulica di rami disposti in serie e in parallelo.

Determinazione del punto di funzionamento di una pompa centrifuga in un circuito idraulico non elementare: semplificazione del circuito idraulico determinando la caratteristica resistente complessiva e il punto di funzionamento della pompa e individuazione delle portate in tutti i rami del circuito idraulico.

Circuito di prova di una pompa

Gli elementi principali di un circuito di prova per pompe: serbatoio, misura di portata, misura della differenza di pressione tra mandata ed aspirazione della pompa, valvola per la variazione della caratteristica del circuito, scambiatore di calore per controllare la temperatura dell’olio nel caso di circuito oleodinamico, necessità della presenza di una valvola limitatrice di pressione alla mandata della pompa volumetrica.

Differenze operative tra le pompe centrifughe e volumetriche

Paragone tra le caratteristiche delle pompe centrifughe e delle pompe volumetriche in funziona della portata da elaborare e della prevalenza da introdurre nel fluido.

I diversi campi di funzionamento delle pompe centrifughe, pompe pluricellulari e pompe ad elica.

Compressori volumetrici

Architettura del compressore volumetrico alternativo, diagramma di indicatore ideale e reale, volume nocivo, rendimento volumetrico. Limite sul rapporto di compressione realizzabile nel singolo stadio di un compressore volumetrico. Il lavoro di stadio e il lavoro specifico di uno stadio in un compressore volumetrico.

Scelta del rapporto di compressione di stadio ottimale nella compressione a due stadi ed estrapolazione al caso di n stadi per minimizzare il lavoro di compressione.

Le diverse architetture dei compressori volumetrici: alternativi a semplice effetto, doppio effetto e polifase, a palette, ad anello liquido, a vite, Roots.

Motori a combustione interna

Introduzione ai motori a combustione interna: architettura e principali definizioni.

I cicli termodinamici teorici. Cicli Otto, Diesel, Sabathè: trasformazioni e rendimenti.

Dai diagrammi di indicatore ideali a quelli reali. La temperatura media dei gas di scarico.

Espressione della potenza per via termica. La tonalità termica della miscela aria-combustibile. Pressione media indicata ed effettiva. Espressioni semplificate della potenza e della coppia del motore.

I rendimenti che influenzano il comportamento del motore: combustione, termodinamico, indicatore, volumetrico e meccanico. Rendimento totale e termico del motore, legame tra il rendimento termico e il consumo specifico del motore.

Relazione tra i principali parametri geometrici del motore: la velocità media del pistone e il rapporto corsa/diametro.

Curve di prestazione del motore (coppia, potenza e consumo specifico).

Frazionamento della cilindrata a parità di potenza ed a parità di cilindrata. Limite al frazionamento della cilindrata. Le diverse architetture dei motori policilindrici.

La regolazione dei motori: per quantità della miscela nei motori ad accensione comandata e per qualità della miscela nei motori ad accensione per compressione. Valutazione degli effetti della regolazione attraverso l’espressione della potenza del motore ottenuta per via termica.

Il processo di combustione nei motori a benzina e nei motori Diesel e sua influenza sull’architettura di queste tipologie di motori.

Concetti di: velocità di combustione, fronte di fiamma, rapporto di equivalenza, ritardo all'autoaccensione, rapporto stechiometrico aria-combustibile, detonazione.

I sistemi di alimentazione dei motori a combustione interna:

Motori a benzina: il controllo elettronico dei motori basato sul sistema speed-density. Architettura del sistema d’iniezione port injected: pompa, iniettore e regolatore di pressione. Cenno all’iniezione diretta.

Motori Diesel: l’evoluzione del sistema d’iniezione di gasolio dal sistema d'iniezione meccanica Bosch fino ai sistemi d'iniezione Common Rail.

Le emissioni inquinanti: formazione, controllo e post-trattamento.

I Sistemi ausiliari: il circuito di lubrificazione e accorgimenti per limitare la potenza assorbita

La sovralimentazione nei motori a combustione interna: sistemi con compressore centrifugo e sistemi con compressore volumetrico. Contributo dell’intercooler alla sovralimentazione.

I motori a 2 tempi: architettura, diagrammi di indicatore e prestazioni.

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici" 1 – MACCHINE A FLUIDO, G: Negri di Montenegro, M. Bianchi A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici" 2 – COMPLEMENTI, M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto – Pitagora Editore

"Internal Combustion Engine Fundamentals", John B. Heywood, Mc Graw Hill

"Motori Endotermici Alternativi", G. Minelli, Pitagora

Metodi didattici

Le lezioni sono di tipo frontale in aula. Il docente, in sostituzione della tradizionale lavagna, utilizza un tablet collegato al proiettore per sviluppare i concetti e per mostrare il materiale didattico di supporto. Al termine della lezione il docente mette a disposizione il materiale proiettato in un file pdf, scaricabile dalla piattaforma IOL.

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

La verifica dell'apprendimento consiste in un esame orale della durata di circa 45 minuti nel corso del quale lo studente deve rispondere a due quesiti estratti casualmente dall’elenco di circa ottanta domande, che coprono il programma svolto, reso disponibile all’ultima lezione del corso nella stessa cartella dropbox che raccoglie tutto il materiale presentato durante le lezioni.

Nel corso del colloquio, relativamente alle macchine a fluido, ai loro componenti e funzioni, viene valutata la capacità dello studente di:

- utilizzare correttamente gli strumenti della termodinamica;

- descriverne il funzionamento;

- giustificarne teoricamente l’architettura;

- rappresentarne la geometria con uno schema a mano libera;

- valutarne le prestazioni;

La valutazione, espressa in trentesimi, sarà tanto più alta quanto più lo studente è:

  • autonomo nell’argomentare le risposte ai due quesiti;
  • esaustivo nell’esporre le argomentazioni;
  • preciso nel rappresentare la funzionalità degli schemi rappresentati a mano libera.

    L’insegnamento di Macchine T (6 CFU) è uno dei due moduli che, insieme al corso di Sistemi Energetici T (6 CFU), costituisce il corso integrato di Macchine e Sistemi Energetici T CI (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

Il corso verrà svolto tramite l'impiego di:

- Slides e supporti audiovisivi

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Davide Moro