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Francesco Melino

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/08 MACCHINE A FLUIDO

Direttore CIRI FRAME (FONTI RINNOVABILI, AMBIENTE, MARE ED ENERGIA)

Contenuti utili

AA 2020/2021 – 87309 - ENERGIA EOLICA E IDRAULICA T – Programma del corso

RICHIAMI E CONCETTI DI BASE

fluido ideale e reale (concetto della viscosità), equazione unidimensionale di continuità della portata e conservazione della portata volumetrica, tubo di flusso, energia di un fluido in movimento (equazione di conservazione dell'energia per unità di massa, equazione di Bernoulli, equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma meccanica), flusso della quantità di moto, triangoli di velocità (esempio nel caso di una macchina radiale operatrice e motrice), Equazione di Eulero per una macchina operatrice e motrice.

ENERGIA IDROELETTRICA – CONCETTI GENERALI

schema di riferimento, espressione del lavoro idraulico e della potenza idraulica, rendimento della condotta forzata e rendimento idraulico della turbina, rendimento volumetrico, espressione della potenza meccanica, elettrica lorda e netta; classificazione delle turbine idrauliche secondo il salto geodetico e la portata volumetrica disponibile; grado di reazione per Pelton, Francis e Kaplan; caratteristiche principali degli impianti idroelettrici (vantaggi/svantaggi); calcolo di massima della potenzialità mondiale idroelettrica e considerazioni; impianti idroelettrici a bacino, generalità, tipologia di diga (cenni), bilancio idrico e scelta della turbina; impianti idroelettrici ad acqua fluente, schemi di riferimento, scelta della turbina; impianti idroelettrici di pompaggio, generalità, tipologie di impianto (quaternario, ternario e binario).

TRASMISSIONE DELLA POTENZA TRA UN GETTO ED UNA PALA

caso di una pala piana isolata, caso di una pala piana parte di una ruota idraulica, caso di una pala curva (calcolo forza, potenza efficienza e massimizzazione dell'efficienza, considerazioni sulla deviazione della vena); caso di una pala curva ed ingresso getto da un lato (calcolo forza, potenza e considerazioni sul triangolo di velocità in uscita); forma dei triangoli di velocità per turbine idrauliche ad azione e a reazione.

TURBINE PELTON

schema, componenti principali (ruota Pelton, pala Pelton, diametro Pelton, distributore, spina Doble); procedura di distacco improvviso del carico; calcolo della velocità teorica e reale del getto in uscita dal distributore; la spina Doble (dimensionamento tipico, coeff. di contrazione della vena, coeff. di efflusso, il diametro del getto); pala Pelton (dimensionamento tipico, triangoli di velocità); calcolo del lavoro secondo Eulero, condizione di massimo lavoro, calcolo del lavoro massimo, del rendimento idraulico e del rendimento idraulico massimo; coeff. di velocità periferica e considerazioni sul rendimento; numero minimo di pale; numero massimo di pale; mappa di prestazione di un Pelton; andamento del rendimento e della potenza in funzione della portata.

SIMILITUDINE IDRAULICA

definizione di similitudine geometrica, cinematica, dinamica, meccanica, idraulica; teorema pi-greco (cenni); calcolo dell'indice caratteristico, portata ridotta, velocità ridotta, diametro specifico, velocità specifica, coeff. di pressione, coeff. di flusso, coeff. di potenza e legame con il rendimento idraulico; dimostrazione dell'uguaglianza del rendimento idraulico; applicazioni: classificazione delle turbine idrauliche in base all'indice caratteristico, diagramma di Cordier-Balje.

TURBINE PELTON A PIÙ GETTI

dipendenza di c1, u, D e n dalla portata disponibile e dal salto geodetico, indice caratteristico per Pelton a più getti, dipendenza del rapporto D/d dalla velocità di rotazione e dal numero di getti, velocità specifica, esempi di regolazione.

TURBINE FRANCIS

schema della macchina; il distributore Fink e la regolazione della portata; la girante e sua evoluzione al variare del salto geodetico e della portata disponibili; il diffusore allo scarico: calcolo della depressione all'uscita della girante e calcolo del salto totale disponibile per la Francis; triangoli di velocità ingresso e uscita dalla girante, espressione del lavoro di Eulero, calcolo c1, u1, w1, c2, u2, w2; influenza di H e V sui parametri principali della Francis, evoluzione dei triangoli di velocità, numero di pale del distributore e della girante; influenza del diffusore sull'espressione del lavoro, considerazioni su altezza sommersa, diffusore ricurvo; equilibratura delle spinte assiali; mappa di prestazione di una Francis; andamento del rendimento e della potenza in funzione della portata, considerazioni sul campo di regolazione al variare della velocità specifica.

TURBINE A ELICA

schema della macchina; triangoli di velocità (raggio generico), andamento della componente assiale e tangenziale della velocità assoluta al variare del raggio, triangoli di velocità al mozzo e alla testa, conformazione della pala svergolata; coeff. di flusso e di velocità periferica; espressione del lavoro; mappa di prestazione di una turbina ad elica; andamento del rendimento della portata; triangoli di velocità al variare della portata;

TURBINE A BULBO

schema, caratteristiche principali; cenni sulle configurazioni di Kaplan e Semi-Kaplan (adduzione sifonata, scarico sifonato, inclinata, S anteriore, S posteriore, rinvio d'angolo, ecc.).

TURBINE TURGO E TURBINE CROSS FLOW

cenni.

ENERGIA DAL MARE

generalità, classificazione impianti di sfruttamento; impianti di sfruttamento dell'energia dalle maree: formazione delle maree (interazione gravitazionale e forza centrifuga - cenni); classificazione impianti, impianto con sbarramento a bacino singolo in riflusso (schema di massima, andamento livello del mare e del bacino, fasi, calcolo energia disponibile, considerazioni); impianto con sbarramento a bacino singolo in flusso (cenni); impianto con sbarramento a bacino singolo bidirezionale (andamento livello del mare e del bacino, fasi, calcolo energia disponibile, considerazioni); considerazioni sui sistemi a doppio bacino e sull'impiego del pompaggio; esempi di impianti reali; impianti di sfruttamento dell'energia del moto ondoso: cenni sul moto ondoso; densità di potenza del moto ondoso; classificazione impianti; captatori a colonna d'acqua oscillante fissi e galleggianti; captatori a corpi oscillanti galleggianti; captatori a corpi oscillanti sommersi; captatori a corpi oscillanti con circuito oleodinamico; captatori overtopping fissi e galleggianti; impianti di sfruttamento dell'energia delle correnti marine: cenni sulle turbine marine; impianti di sfruttamento del gradiente termico dei mari/oceani: cenni sull'impiego di Cicli di Rankine a fluido Organico e generatori a effetto Seebek; impianti di sfruttamento del gradiente salino dei mari/oceani: cenni.

MACCHINE OPERATRICI A FLUIDO INCOMPRIMIBILE

classificazione, diagramma di scelta di una pompa.

POMPE CENTRIFUGHE

definizione della prevalenza geodetica e della prevalenza manometrica; espressione della prevalenza manometrica; applicazione dell'equazione generalizzata del moto dei fluidi in forma meccanica al circuito di riferimento; calcolo della potenza della pompa, definizione del rendimento idraulico, volumetrico, meccanico, del motore elettrico e totale; architettura semplificata di una pompa centrifuga (girante, voluta, eventuale diffusore); triangoli di velocità in ingresso e in uscita; espressione del lavoro di Eulero; calcolo della caratteristica teorica, considerazioni sulla forma delle pale (indietro, radiali, avanti), inserimento perdite di carico; calcolo della caratteristica reale; caratteristica reale al variare della velocità di rotazione; cavitazione: principio fisico, definizione NPSH, NPSH della pompa e NPSH disponibile, caso sotto battente e sopra battente, cavitazione sulle pale della girante; adescamento (cenni); connessione tra più pompe (serie tra due pompe uguali, serie tra due pompe diverse, parallelo tra due pompe uguali, parallelo tra due pompe diverse); determinazione del punto di funzionamento (caso circuito aperto e caso circuito chiuso); regolazione (controllo velocità, valvola di strozzamento); pompe centrifughe a doppia girante (cenni); pompe centrifughe multicellulari (cenni); pompe a flusso misto (cenni); pompe assiali (cenni).

ENERGIA EOLICA

formazione dei venti globali (cenni); formazione dei venti locali (formazione della brezza di mare/terra e della brezza di monte/valle); definizione dell'intensità di turbolenza e velocità media del vento; considerazioni sulla densità dell'aria al variare della quota e sulla velocità del vento al variare della quota; classificazione delle turbine eoliche e tipologia di impianti; potenza di una vena fluida indisturbata; coefficiente di potenza reale; limite di Betz (andamento velocità e pressione, conservazione della portata in massa e della quantità di moto), calcolo c1, definizione fattore di interferenza "a" e "b" definizione e calcolo del coeff. di potenza ideale (kp) e calcolo del valore massimo; considerazioni su kp e rendimento organico, efficienza aerodinamica della pala (cenni); coeff. di potenza reale (k'p) e dipendenza dal Tip Speed Ratio (TSR); considerazioni per diverse tipologie di turbine; curva di potenza reale di un aerogeneratore e considerazioni sulla regolazione; valutazione del rendimento di un generatore eolico; scelta del sito per l'installazione di un parco eolico; studio anemologico di un sito, misure di velocità e direzione del vento, curva di densità di probabilità di Weibul, curva di probabilità cumulata, calcolo della producibilità.