29932 - MACCHINE A FLUIDO T

Conoscenze e abilità da conseguire

Fare acquisire allo studente la conoscenza dei principi di funzionamento delle macchine maggiormente impiegate nei sistemi energetici a combustibile fossile per la produzione di potenza elettrica e termica, con particolare riferimento a generatori di vapore, condensatori, scambiatori di calore in genere e macchine a fluido comprimibile e non.

Contenuti

§ Energia: fabbisogno mondiale di energia, fonti primarie e secondarie, rinnovabili e non rinnovabili. Bilancio energetico mondiale giornaliero e ripartizione tra le diverse fonti. Richiami sulle unità di misura di più frequente impiego in campo energetico.

§ Cenni sulla conversione fotovoltaica: Caratteristica di una cella fotovoltaica al silicio. Rendimento di conversione. Centrale di Serre Persano.

§ Cenni sulla energia eolica. Limite di Betz. Architettura degli aeromotori, ad asse verticale ed orizzontale.

Potere calorifico dei combustibili e sua determinazione in via sperimentale ed approssimata. Calorimetro di Junkers e Bomba di Mahler. Massa d’aria per la combustione teorica e reale. Diagramma di Ostwald (cenni).

Richiami di termodinamica: Gas perfetti e ideali. Diagrammi termodinamici T,s (entropico) e h,s (Mollier). Richiami sulle equazioni di bilancio energetico per il sistema aperto in forma termica e meccanica.

Cicli degli impianti a vapore: Ciclo di Carnot. Ciclo Rankine. Influenza della pressione di caldaia. Influenza dei parametri termodinamici sul rendimento del ciclo. Ciclo di Hirn. Surriscaldamento e risurriscaldamento.

Impianti a spillamenti. Ottimizzazione dell’impianto a uno o più spillamenti. Preriscaldatori a miscela e a superficie.

Evoluzione dell’architettura dei generatori di vapore: caldaia Cornovaglia, caldaia marina e Babcok & Wilcox. Caldaia ad irraggiamento.

§ Bilancio della camera di combustione. Determinazione della temperatura di combustione. Temperatura di parete nei tubi vaporizzatori e surriscaldatori. Diagrammi di scambio. Estrazione di calore dai fumi. Preriscaldo dell’acqua. Preriscaldo dell’aria. Rugiada acida.

Rendimento del generatore di vapore per via diretta ed indiretta. Carico termico volumetrico.

Impianti motori con turbina a gas. Ciclo di Brayton. Cenni sul raffreddamento delle pale.

Cogenerazione: Definizione dei parametri per la caratterizzazione di un impianto cogenerativo Impianti cogenerativi con turbina a vapore a contropressione e a condensazione-derivazione. Impianti cogenerativi con turbina a gas, e con motori a combustione interna. Cenni sui cicli a gas complessi.

Impianti a ciclo combinato gas-vapore. Rendimento del ciclo combinato gas-vapore. Architettura di caldaie a recupero

Cicli termodinamici operatori. Caratteristiche dei fluidi frigoriferi: proprietà termofisiche, di sicurezza e impatto ambientale. Cicli frigoriferi a doppia compressione secca e a due temperature di vaporizzazione. Riscaldamento mediante pompa di calore. Cenni sugli impianti frigoriferi ad assorbimento.

Macchine volumetriche alternative e rotative. Compressore volumetrico alternativo. Pompe volumetriche alternative e rotative: Architetture e prestazioni di pompe oleodinamiche. Metodi di rilievo delle caratteristiche di pompe oleodinamiche.

Equazioni del moto per un osservatore mobile. Equazioni di Eulero ed alle energie cinetiche.

§ Efflusso del vapore. Equazione di Hugoniot. Ugello di De Laval. Turbina a vapore ad azione semplice: Limiti al salto entalpico sfruttabile con una turbina a vapore monostadio. Turbina Curtis a salti di velocità. Turbina a salti di pressione. (§ Turbina a reazione. Lavoro specifico e rendimento dello stadio di turbina a reazione. Turbina mista. Macchine a più corpi, a doppio flusso. Equilibramento delle spinte assiali. Cenni sulla regolazione per parzializzazione e per strozzamento).

Macchine idrauliche operatrici a fluido incomprimibile. Pompa centrifuga. Studio elementare del flusso secondo la teoria monodimensionale. Lavoro idraulico e prevalenza. Curve caratteristiche.

§ Cenni sulla teoria della similitudine. Indice caratteristico, Leggi di trasposizione. Determinazione del punto di funzionamento della pompa in relazione alle caratteristiche dell’impianto. Schema di un impianto di prova per pompe centrifughe e cenni alle normative di collaudo. Problemi di installazione: Adescamento e cavitazione NPSH.

Sfruttamento delle risorse idrauliche per impianti di generazione idroelettrica. Definizioni e tipologie d’impianto. Turbina Pelton.

§ Turbina Francis, Turbina ad elica. Turbina Kaplan.

Diagrammi collinari per le turbine idrauliche. Impianti di pompaggio (cenni).

Motori a combustione interna alternativi: definizioni, principi di funzionamento. Architettura dei motori a combustione interna a quattro tempi. Diagrammi di indicatore ideale limite e reale. Diagramma polare della distribuzione.

§ Analisi termodinamica dei cicli per i M.C.I. ad accensione comandata e per compressione. Cicli Beau de Rochas (Otto), Diesel e Sabathè.

§ Potenza e rendimento per via termica. Parametri caratteristici per il dimensionamento dei M.C.I.: pressione media indicata ed effettiva, velocità media del pistone. Rapporto corsa/diametro. Motori policilindrici. Dimensionamento di massima di un motore a quattro tempi a combustione interna.

§ Motori a due tempi ad accensione comandata: diagramma di indicatore del cilindro e del carter.

Prestazioni dei motori a combustione interna: Curve caratteristiche di coppia, potenza e consumo specifico a piena ammissione. Emissioni di inquinanti dai M.C.I. e metodi per il loro contenimento.

MODULO 2 Principi di ingegneria elettrica: per i soli studenti del CdS in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

Teoria generale

Dalla teoria dei campi alla teoria dei circuiti, leggi di Kirchhoff, potenza elettrica, generatore di tensione e di corrente indipendente, resistore, induttore, condensatore. Regime di corrente alternata.

Produzione della energia elettrica

Macchina sincrona: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento come generatore e compensatore. Generatore fotovoltaico.

Trasporto e distribuzione della energia elettrica

Linee elettriche monofase e trifase, linee trifase con il filo neutro. Il problema del rifasamento. Trasformatore: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento, circuito elettrico equivalente, trasformatori trifase.

Uso dell'energia elettrica

Macchina asincrona: caratteristiche costruttive, principio di funzionamento, circuito elettrico equivalente, caratteristica meccanica ed elettromeccanica. Cenni al controllo della velocità ed ai problemi di avviamento. Cenni di sicurezza elettrica: protezione dai contatti indiretti. Protezione dalle sovracorrenti

NOTA: gli argomenti contrassegnati con il simbolo "§" non fanno parte del programma per gli studenti in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

 

Testi/Bibliografia

Cantore G.,“Macchine”, Progetto Leonardo, 1995 BO, 3a ed. 1999.

Minelli G., “Macchine idrauliche”, Pitagora, BO, s.d..

Morandi G., “Macchine ed apparecchiature a vapore e frigorifere”, Pitagora, BO.

Cornetti G., “Macchine idrauliche”, Il Capitello, TO, 1989, 2a ed. 1991, rist. 1994.

Cornetti G., “Macchine termiche”, Il Capitello, TO, 1989, rist. 1994.

Ferrari G., “Motori a combustione interna”, il Capitello, Torino, 1992.

Minelli G., “Motori endotermici alternativi”, Pitagora, BO, s.d..

Negri di Montenegro G., Bianchi M., Peretto A.,“Sistemi energetici e loro componenti, Pitagora, BO, 2001, ISBN-88-371-1256-4.

Negri di Montenegro G., Moro D., Naldi G., “Corso di macchine - 1 Sistemi e componenti termici, Pitagora, BO, 1992, nuova ed. 1998.

Negri di Montenegro G., Naldi G., Peretto A., “Corso di macchine - 2 Macchine volumetriche Trasmissioni meccaniche”, Pitagora, BO, 1993.

Sandrolini S., Borghi M., Naldi G., “ Turbomacchine Termiche - Turbine”, Pitagora, BO, 1992.

Sandrolini S., Naldi G., “ Macchine 1: Fluidodinamica e termodinamica delle turbomacchine”, Pitagora BO, 1996, ISBN 88-371-0827-3

Sandrolini S., Naldi G., “ Macchine 2: Le turbomacchine motrici e operatrici”, Pitagora BO, 2019, ISBN 88-371-2106-8

Sandrolini S., Naldi G., “ Macchine 3: Gli Impianti motori termici e i loro componenti”, Pitagora BO, 2003, ISBN 88-371-1317

 

Testi di riferimento: MODULO 2 Principi di ingeneria elettrica: per i soli studenti del CdS in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

G. Fabricatore, Elettrotecnica ed applicazioni, Ed. Liguori, 1994.

G. Rizzoni, Elettrotecnica: principi e applicazioni, McGraw-Hill, 3a edizione, 2013.

A.R. Hambley, Elettrotecnica, Pearson Paravia Bruno Mondadori, 4a edizione 2009.

Metodi didattici

Esposizione degli argomenti mediante presentazioni in power point

messe a disposizione sul sito docente.

Esercitazioni numeriche e disegni eseguiti alla lavagna con calcolatrice e gesso.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Interrogazione orale sugli argomenti indicati nel programma.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso l' esame finale che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova orale di norma con tre domande della durata complessiva di 30÷45 min senza l'aiuto di appunti o libri  Si richiede la conoscenza e la capacità di eseguire i disegni delle macchine e degli schemi di impianto descritti nel corso, lo svolgimento di brevi calcoli relativi alla determinazione di proprietà termodinamiche, od a bilanci elementari, anche dal punto di vista numerico (è prevista la consultazione di diagrammi o tabelle per ricavare alcune proprietà termodinamiche di fluidi).

Il superamento dell’esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza e capacità operativa in relazione ai concetti chiave illustrati nell’insegnamento. Un punteggio più elevato sarà attribuito agli studenti che dimostreranno di aver compreso ed essere capaci di utilizzare tutti i contenuti dell’insegnamento illustrandoli con capacità di linguaggio, risolvendo problemi anche complessi, mostrando buona capacità operativa. Il mancato superamento dell’esame potrà essere dovuto all’insufficiente conoscenza dei concetti chiave, alla mancata padronanza del linguaggio tecnico e alla mancata o insufficiente capacità operativa.

La valutazione è espressa in trentesimi con sufficienza pari a 18/30

AVVISO: Per gli studenti del CdS In Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio una delle domande riguarderà il modulo di Elettrotecnica

Strumenti a supporto della didattica

Presentazioni in formato pdf scaricabili dal sito docente.

Descrizione di componenti di macchine eseguite su pezzi reali in aula.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Giovanni Naldi