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Programma di Macchine a Fluido Ing.Energetica tenuto dal Prof. Amedeo Amoresano A.A.2016/2017

1) GENERALITÀ - DEFINIZIONI - CLASSIFICAZIONI.     1.1) Definizioni riguardanti: - Macchine motrici ed operatrici - Impianti motori, Impianti motori termici, Impianti motori primi.   1.2) Fonti di energia primaria (esauribili e rinnovabili) e secondaria: - Quantificazione dell'energia associata alle diverse fonti (idraulica, termica da combustibile, nucleare, solare, eolica, idraulica). Dati statistici su consumi, trasformazione e usi finali dell'energia. Potenze installate per impianti termoelettrici e idroelettrici e relative incidenze sui consumi totali. -   1.3) La trasformazione dell'energia primaria negli impianti motori termici (IMT): definizione di consumo specifico di calore e di combustibile; bilancio termico di un IMT; definizione di rendimento globale e catena di rendimenti (di combustione, reale e meccanico); legame con i consumi specifici. Analisi dei costi del kWh prodotto.

2) TERMODINAMICA DELLE MACCHINE.   Vengono ripresi i concetti già forniti nel corso di Fisica Tecnica, allo scopo di analizzare le trasformazioni nelle macchine e i cicli di IMT.   2.1) Definizioni relative ai sistemi termodinamici e ai loro stati; energia interna (u) e entalpia (h).   2.2) 1^ principio della termodinamica nella forma conservativa per sistemi aperti e chiusi; definizioni di lavoro e calore in una trasformazione.   2.3) 2^ principio della termodinamica e funzione entropia (s); disuguaglianza del Clausius e concetto di irreversibilità di una trasformazione; riesame dell'equazione del 1^ principio nelle forme du=Tds-pdv e dh=Tds+vdp; concetti di degradazione dell'energia interna, lavoro elastico e lavoro di pulsione.   2.4) Esame delle trasformazioni di un fluido dal punto di vista dei possibili scambi di energia: a) importanza della massa molecolare e della comprimibilità dei gas; b) vapore e sue caratteristiche.   2.5) Rappresentazione delle trasformazioni nei piani (p,v),(T,s) e (h,s) e individuazione degli scambi di calore e lavoro.   2.6) Cicli termodinamici diretti: analisi delle quantità di calore scambiate nel ciclo; lavoro e rendimento di un ciclo; ciclo di Carnot e definizione di temperature medie di adduzione e sottrazione di calore per un ciclo qualsiasi; cicli "irreversibili" e definizione di indice di irreversibilità. Cicli ideale, limite e reale.   2.7) Definizione della funzione energia e suo utilizzo.

3) IMPIANTI A VAPORE (I.V.)   3.1) Campi di applicazione e schematizzazione dell'impianto con i suoi componenti principali.   3.2) Analisi dei cicli a vapore d'acqua: ciclo di Rankine e di Hirn, loro rappresentazione nei piani termodinamici e esame delle trasformazioni.   3.3) Metodi per aumentare lavoro e rendimento dei cicli: influenza delle pressioni estreme e, nei cicli Hirn, della temperatura massima del ciclo; risurriscaldamenti del vapore; cicli ipercritici.   3.4) La rigenerazione nei cicli a vapore: analisi delle quantità di calore fornite a un ciclo a vapore e delle relative temperature medie; presentazione del concetto di rigenerazione e sua applicazione ai cicli a vapore; spillamento di vapore e calcolo delle variazioni di lavoro e rendimento del ciclo; ottimizzazione della portata e delle caratteristiche del vapore spillato; cicli a più spillamenti.   3.5) Il condensatore negli I.V.: importanza termodinamica; tipi di condensatore e calcolo delle portate di fluido refrigerante e delle superfici di scambio.   3.6) Impianti a vapore con caldaia a combustibile nucleare: cenni sull'utilizzo dei reattori PWR, BWR e GCR e sulle particolarità dei cicli termodinamici.                                                                                                        

4) GENERATORI DI VAPORE (G.V.).   4.1) Generalità. Caldaie a grande corpo, a tubi di fumo e a tubi d'acqua; caldaie ipercritiche. Costituzione di un G.V. di un impianto a vapore: economizzatori, evaporatori, surriscaldatori, preriscaldatori di aria.   4.2) Rendimento di un G.V.. Calcolo delle quantità di calore trasferito al vapore e di quelle fornite al G.V. Metodo diretto e indiretto per il calcolo del rendimento.   4.3) Problema della regolazione nel G.V.; circolazione naturale e forzata.

5) LO SCAMBIO DI LAVORO NELLE MACCHINE.     5.1) Nozioni generali sullo scambio di lavoro tra fluido e macchina: equazioni di bilancio della massa e dell'energia.   5.2) Particolarizzazione delle equazioni di bilancio per una macchina volumetrica e importanza dei termini non stazionari.   5.3) Equazioni di bilancio in regime stazionario: equazione della continuità, dell'energia in forma meccanica e termodinamica e individuazione dei termini cinetici e potenziali. Concetto di lavoro di attrito.   5.4) Rendimenti adiabatici e politropici; fenomeni del recupero e controrecupero.   5.5) Scambio di lavoro nelle macchine dinamiche: equazione di bilancio del momento della quantità di moto e derivazione dell'equazione di Eulero per le turbomacchine; confronto con l'equazione dell'energia. Definizione di grado di reazione. Velocità assolute, periferiche e relative e triangoli di velocità. Dipendenza del lavoro scambiato dalle velocità del fluido e della macchina.   5.5) Flusso isentropico neli condotti. Equazione dell'energia per condotti fissi e trasformazione tra energia potenziale e cinetica. Parametri di ristagno. Definizione di numero di Mach e concetto di bloccaggio della portata. Equazione della portata in funzione dei parametri di ristagno e dei rapporti di pressione. Condotti a sezione variabile: ugelli e diffusori.  

6) TURBINE A VAPORE (T.V.)     6.1) Costituzione della macchina; turbina multistadio e andamento delle trasformazioni; importanza dell'aumento del volume specifico sulla variazione di dimensioni   6.2) Stadi di turbina a vapore: ad azione, a reazione e a salti di velocità: importanza del rapporto (u/c1) e dell'angolo 1; limitazione del salto entalpico smaltibile, rendimento di palettatura e lavoro scambiato, confronti tra i vari tipi di stadio. Rendimenti di palettatura, di stadio e di turbina. 6.3) Espressione della potenza di una turbina a vapore con spillamenti. Consumo specifico di vapore di una turbina. Limiti di potenza; sdoppiamento dei corpi di turbina e degli assi. 6.4) Regolazione della potenza di una T.V. per parzializzazione, laminazione e variazione della pressione di alimentazione: influenza sul rendimento del ciclo e su quello di turbina.

7) TURBINE A GAS (T.G.)     7.1) Generalità, Classificazioni, Campi di impiego.Schemi di impianto a circuito aperto e chiuso.        7.1.1) Evoluzione delle prestazioni delle T.G. in relazione al miglioramento dei materiali e delle tecniche di raffreddamento delle pale.   7.2) Cicli ideali delle T.G.. Ciclo di Joule. Analisi delle singole trasformazioni del ciclo e del calore o del lavoro scambiato. Lavoro e rendimento del ciclo. Influenza del rapporto di compressione e del rapporto di temperature e diagrammi del lavoro e del rendimento. Individuazione delle Temperature medie di adduzione e sottrazione di calore.        7.2.1) Cenni sul ciclo limite e sulle principali differenze col ciclo ideale. Prodotti della combustione ed emissioni di inquinanti.   7.3) Ciclo reale delle turbine a gas. Analisi delle trasformazioni reali e influenza dei rendimenti di compressione e di espansione. Andamento del rendimento e del lavoro in funzione di e e confronto col caso ideale.   7.4) Metodi per aumentare il rendimento dei cicli delle T.G..        7.4.1) Rigenerazione. Definizione di grado di rigenerazione R e andamento del rendimento in funzione di R e di .        7.4.2) Compressioni interrefrigerate e riscaldamenti ripetuti (o combustione multipla). Calcolo della variazione di lavoro e di rendimento. Ricerca delle condizioni ottimali. Cenni sui cicli a più compressioni interrefrigerate e a più espansioni con combustioni multiple.   7.5) Potenza delle T.G.. Espressione della potenza per turbine a gas a Circuito aperto e chiuso. Calcolo del rapporto aria-combustibile in funzione del limite sulla temperatura massima. Regolazione della potenza.   7.6) Turbine a gas a circuito chiuso. Importanza dell'impiego di fluidi di lavoro diversi dall'aria. Particolarità del sistema di regolazione.    

8) IMPIANTI COMBINATI GAS-VAPORE.   8.1) Calore recuperabile allo scarico di una T.G. e quantità di vapore producibile.   8.2) Rendimento globale dell'impianto combinato. Superamento dei limiti tipici di I.V. e T.G..   8.3) Utilizzo di T.G. per il ripotenziamento di I.V. esistenti.    

9) MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (M.C.I.).     9.1) Generalità. Classificazioni e campi di impiego. Motori ad accensione comandata e per compressione, a due e a quattro tempi. Descrizione delle fasi del motore.   9.2) Cicli ideali. Cenno sui cicli Otto-Beau de Rochas, Diesel e Sabathè con i relativi confronti. Importanza del rapporto volumetrico di compressione .   9.3) Ciclo limite. Differenze fondamentali con i cicli ideali. Andamento della combustione e sua influenza su pressione e temperatura massima del ciclo. e sul rendimento. Prodotti della combustione in M.C.I..   9.4) Cicli reali dei M.C.I.. Definizione di: cilindrata, rapporto di compressione effettivo, spazio morto. Individuazione delle fasi "aperte" e "chiuse" del motore. Definizione di coefficiente di riempimento v.        9.4.1) Determinazione della durata delle fasi di un M.C.I. col diagramma della distribuzione. Influenza della fasatura delle valvole o della altezza delle luci sul coefficiente di riempimento e sul lavoro. Importanza dell' anticipo all'accensione o all'iniezione.        9.4.2.) Diagrammi indicati di M.C.I. a 2t e a 4t. Calcolo del lavoro utile e del lavoro di pompaggio. Lavoro indicato e pressione media indicata (pmi). Cenno sui metodi di rilevazione del diagramma indicato.   9.5) Potenza dei M.C.I.. Definizione di pressione media effettiva (pme). Espressione della potenza in funzione della pme e dei parametri motoristici. Espressione della potenza in funzione di v, e g. Limiti di potenza di un M.C.I. e influenza della cilindrata e della velocità di rotazione. Metodi di sovralimentazione di M.C.I..        9.5.1) Diagrammi della potenza, della coppia e del consumo specifico. Curve caratteristiche e loro parametri.        9.5.2) Regolazione della potenza di M.C.I. e individuazione del punto di funzionamento del sul piano delle curve caratteristiche. Influenza della regolazione sul ciclo del motore.   9.6) Combustione ed alimentazione dei M.C.I..        9.6.1) Combustione normale e anormale nei M.C.I.. Numeri di ottano e di cetano dei combustibili.        9.6.2) Cenni sull'alimentazione a carburatore e ad iniezione dei M.C.I..        9.6.3) Produzione di specie inquinanti in relazione alle caratteristiche della combustione, e metodi per il loro abbattimento.   9.7) Descrizione del funzionamento di M.C.I. a 2 tempi e loro importanza nel campo dei M.C.I. di grande potenza. 9.8)         Cenni sulla misura della coppia e della potenza di M.C.I..

10) MACCHINE OPERATRICI (M.O.).     10.1) Classificazioni: pompe, compressori; macchine operatrici dinamiche e volumetriche.   10.2) Accoppiamento della M.O. con il circuito utilizzatore: calcolo della prevalenza richiesta dall'impianto; prevalenza utile, perdite di carico e prevalenza totale; rendimento di condotta. Prevalenza manometri e prevalenza totale della M.O.. Carico adiabatico e politropico di un compressore.Rapporto di compressione.   10.3) Macchine operatrici dinamiche. Equazione dello scambio di lavoro tra macchina e fluido, grado di reazione, rendimento interno e globale, potenza assorbita.        10.3.1) Curve caratteristiche delle M.O. dinamiche: caratteristica teorica di una M.O. radiale calcolata a pale e a z pale; perdite interne alla M.O. e caratteristica reale. Influenza della velocità di rotazione e dell'angolo di scarico 2.        10.3.2) Varie rappresentazioni delle curve caratteristiche: piani (Q,H),rappresentazioni di parametri "ridotti" nei piani (m T /p, ).        10.3.3) Cenni sulle macchine operatrici assiali:        10.3.4) Campi di applicazione delle M.O. dinamiche in relazione alle portate e alle prevalenze realizzabili. Numero di giri specifico. Utilizzo di macchine operatrici in serie e in parallelo.        10.3.5) Regolazione delle M.O. dinamiche: punto di funzionamento e regolazione per laminazione, variazione di velocità, by-pass con confronto sui vari metodi sulla base della potenza assorbita e del rendimento globale pompa-impianto.        10.3.6) Il problema della cavitazione nelle pompe: cadute di pressione esterne e interne alla pompa, definizioni di (NPSH) richiesto e disponibile. Calcolo della altezza di aspirazione della pompa; pompe sotto battente.        10.4) Macchine operatrici volumetriche.        10.4.1) Compressori alternativi. Scambio di lavoro tra fluido e macchina. Diagrammi di funzionamento nel piano (p,V) nel caso ideale e reale. Rendimento volumetrico e suo andamento in funzione del rapporto di compressione. Limiti sul rapporto di compressione. Compressori alternativi multistadio. Regolazione.

Napoli 15/02/2019                                                                                                         Amedeo Amoresano