Lingua: Italiano
Insegnamenti Propedeutici: Fisica I, Fisica Tecnica, Meccanica Applicata alle Macchine
Docenti: Amoresano Amedeo
Obiettivi formativi:
Fornire le nozioni fondamentali relativa agli impianti di conversione dell’energia, ai meccanismi di scambio di lavoro dei componenti ed alle loro caratteristiche operative. Fornire le nozioni inerenti un razionale sfruttamento dell’energia unitamente alla formazione e la riduzione delle sostanze inquinanti provenienti dagli impianti termici. Impartire le conoscenze ai campi di funzionamento delle macchine, ai loro criteri di scelta ed alle tecniche di regolazione.
Contenuti:
Fonti di energia rinnovabili e non, quantificazione delle diverse fonti. Classificazione delle macchine a fluido: macchine motrici di tipo idraulico e termico, motori primi. Macchine operatrici: pompe, ventilatori, compressori. Richiami di Termodinamica.
Impianti motore termici: vapore, gas, motori a combustione interna. Cicli termodinamici e rappresentazione sui piani caratteristici. Rendimento globale dell’impianto e consumi specifici di combustibile e di calore.
Impianti con Turbine a vapore.
Impianti con Turbine a gas a circuito aperto e chiuso.
Motori alternativi a combustione interna.
Il lavoro nelle macchine volumetriche e dinamiche; equazione di Eulero.
Turbine a vapore e a gas.
Macchine operatrici. Generalità e classificazioni: macchine operatrici a fluido comprimibile ed a fluido incomprimibile, volumetriche e dinamiche. Prevalenza totale e manometrica. Potenza assorbita.
Compressori. Volumetrici alternativi.
Pompe. Classificazione e generalità. Accoppiamento di più pompe in serie ed in parallelo. Avviamento. Descrizione dei diversi tipi di pompe che più frequentemente si incontrano nella pratica tecnica. Cenni sulle pompe assiali .
Modalità didattiche:
Lezioni frontali, esercitazioni numeriche, visite presso laboratori sul territorio.
Materiale didattico:
Macchine (Renato della Volpe Ed. Liguori)
Le Turbine a Vapore (Carlo d’Amelio Ed. Liguori)
Motori a Combustione Interna (Giancarlo Ferrari Ed. Il Capitello)
Manuali KSB
Appunti dalle lezioni .
Modalità esame:
Prova orale.
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.