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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 2021/2022 – 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), schemi, calcolo dell'efficienza di round trip, calcolo della convenienza economica, considerazioni.

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; influenza di H e V sui parametri principali della Francis, evoluzione dei triangoli di velocità; influenza del diffusore sull'espressione del lavoro, considerazioni su altezza sommersa, diffusore ricurvo; equilibratura delle spinte assiali; distacco repentino del carico (scarico sincrono); 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 KAPLAN

pale regolabili, curva di rendimento, triangoli di velocità al variare della portata, considerazioni.

TURBINE A BULBO

schema di massima, generalità, campo di applicazione, configurazione come Kaplan o Semi-Kaplan.

TURBINE TURGO

campo di applicazione e caratteristiche generali, triangoli di velocità, espressione del lavoro e dell'efficienza massima.

TURBINE CROSS FLOW

campo di applicazione e caratteristiche generali, triangoli di velocità, lavoro ed efficienza.

ALTRE TURBINE IDRAULICHE

Turbine VLH (cenni); Turbine a vite di Archimede (cenni); Ruote idrauliche (cenni) con alimentazione di sopra (concorde e alternata), di fianco, di sotto, inserite in una corrente.

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.

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; componenti principali di un aerogeneratore; 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.