Anno: 4 Periodo: I
Lezioni, esercitazioni, laboratorio informatico: 6+4(ore settimanali) Docente: Enrico Antonelli (Collab. Mario R. Marzano)
Il corso intende fornire le nozioni fondamentali sul funzionamento dei principali tipi di Si-stemi energetici a fluido, vale a dire, delle più importanti macchine motrici e operatrici, ter-miche e idrauliche, nonché le conoscenze elementari di tipo impiantistico necessarie per una corretta scelta della macchina in relazione all'impiego cui essa è destinata, sia sotto l'aspetto energetico, sia per le implicazioni ambientali. Chiaramente la prima parte del corso. prope-deutica alla trattazione dei Sistemi energetici, deve fornire le conoscenze di base di termodi-namica e di fluidoditermodi-namica. Il corso comprende lezioni ed esercitazioni numerico-grafiche.
REQUISITI
Sono propedeutiche nozioni acquisite nei corsi di:
Fisica Il, di Elementi di meccanica teorica e applicata, di Idraulica, oltreché di Tecnologia dei materiali e chimica applicata.
PROGRAMMA
Fondamenti di termodinamica [circa 22 ore].
Nozioni-base di termodinamica dei mezzi continui: relazioni termiche (conduzione, conve-zione e irraggiamento) e relazioni meccaniche (forze di massa e forze di superficie); parametri di stato (esterni e interni, fisici e chimici).
Sistemi gassosi a specie e fasi costanti: equazioni di stato dei gas perfetti (ideali e quasi ideali) e dei gas quasi reali (Van der Waals); principali leggi di evoluzione di un sistema; i principi di conservazione della massa e dell'energia, dal punto di vista sostanziale e dal punto di vista locale; confronto fra lavoro esterno e lavoro tecnico; il principio di evoluzione del-l'energia. Proprietà dei diagrammi p,v e T, S in termini di curve e in termini di aree.
Sistemi a fasi costanti e a specie variabili: equazioni di combustione a volume o a pressione costante, adiabatica o con scambio termico, senza o con dissociazione; la combustione reale.
Il teorema dell'energia utilizzabile.
Sistemi monospecie a fasi variabili: passaggi di stato (solido)-liquido-aeriforme; il punto cri-tico e gli stati corrispondenti; diagrammip, v, T, S, i,S (Mollier); loro proprietà.
Gli impianti-motori e gli impianti-operatori: generalità [circa 8 ore].
Il ciclo di Camot ideale, i cicli ideali che tendono a emularlo (Rankine, Joule, Otto) e altri cicli ideali(Diesel, Sabathé). I cicli ideali equivalenti al ciclo di Carnot (Ericsson e Stirling) e i cicli ideali che tendono a emularli(Rankine rigenerativo e Joule a rigenerazione totale).
r
rendimenti termici ideale, limite, interno, utile, globale. Il rendimento termico dei combu-stori.r
consumi specifici. Equivalen-za tra cicli termodinamici e trasformazioni aperte.Le macchine motrici: rendimenti termofluidodinamici (isentropico e idraulico) e rendimenti meccanici. Il concetto di recupero e la sua giustificazione fisica. Modelli fisici di funziona-mento termodinamico delle macchine a flusso continuo e delle macchine volumetriche.
Le macchine operatrici (pompe e compressori): rendimenti termofluidodinamici. Il concetto del controrecupero.
Impianti frigoriferi e pompe di calore. I cicli termodinamici inversi: il ciclo Rankine modifi-cato. I concetti di efficienza e di efficacia.
Fondamenti difluidodinamica [circa IO ore].
I principi di conservazione della massa e della quantità di moto dal punto di vista locale:
equazioni differenziali ed equazioni globali: caso generale e caso di moto permanente unidi-mensionale.
La velocità di propagazione delle piccole e delle grandi perturbazioni: velocità del suono, velocità dell'urto e velocità dell'onda esplosiva.
Andamento delle velocità e delle pressioni nel caso di moto permanente in un condotto con-vergente e in uno concon-vergente-dicon-vergente. Le corrispondenti espressioni della portata, critica e non.
Il principio di conservazione del momento della quantità di moto dal punto di vista locale:
caso generale e caso di moto permanente. L'espressione del momento e del lavoro massico per una girante palettata: caso generale, palettature ad azione e palettature a reazione.
I compressori di gas [circa 12 ore].
I turbocompressori: generalità; i turbocompressori radiali e i turbocompressori assiali, mono-e pluri-stadio; parammono-etri adimmono-ensionali dmono-ellmono-e prmono-estazioni, diagrammi cnF~ari; confronto delle prestazioni, i fattori di carico. Anomalie di funzionamento: lo stallo elopompaggio. Regola-zione.
I compressori volumetrici: generalità; i compressori alternativi: ciclo di lavoro, prestazioni, regolazione; i compressori rotativi Root, e a palette: cicli di lavoro, prestazioni, loro regola-zione.
Le pompe per liquidi eiturbomotori idraulici [circa 6 ore].
Le turbopompe: generalità; parametri adimensionali, prestazioni. Anomalie di funzionamen-to: la cavitazione. Problemi di installazione. Regolazione.
Le pompe volumetriche: generalità; ciclo di lavoro, prestazioni. Regolazione. Problemi di inerzia nei condotti.
I turbo motori idraulici: generalità, parametri adimensionali. Le turbine Pelton: prestazioni, particolarità. Le turbine Francis: prestazioni, particolarità. Le turbine Kaplan: prestazioni, particolarità.
I motori alternativi a combustione interna [circa 12 ore].
Costituzione, funzionamento reale, e particolarità costruttive dei motori alternativi ad accen-sione comandata e ad accenaccen-sione per compresaccen-sione, a 4 e a 2 tempi, di tipo veloce e leggero.
Espressione della potenza e della pressione media effettiva per i motori volumetrici. Criteri generali di impiego dei motori alternativi a 2 e a 4 tempi, ad accensione comandata e ad ac-censione per compressione.
Indicazioni ricavabili dall'espressione della potenza utile e dall'espressione della p.m.e.
Scelta del ciclo ideale più adatto al tipo di motore. Quadro sinottico delle influenze esercitate sulle prestazioni dei motori alternativi a c.i.: influenza delle caratteristiche del fluido reale e delle trasformazioni reali. Cause di perdita del coefficiente di riempimento. Cenni sulla so-vralimentazione.
Il legame tra coppia motrice e p.m.e.. Caratteristica di regolazione e caratteristica meccanica dei motori ad accensione comandata e dei motori ad accensione per compressione, a pieno carico e ai carichi parziali: loro confronto.
Cenni sulla combustione nei motori ad accensione comandata e nei motori ad accensione per compressione. Cenni sulle emissioni di inquinanti.
Gli impianti di turbina a gas[circa 6 ore].
Generalità; rendimento termico e lavoro massico del ciclo ideale e del ciclo limite: loro di-pendenza dal rapporto' di compressione e dalla temperatura massima. Il rendimento termico globale e il lavoro massico utile: loro dipendenza dal rapporto di compressione, dalla tempe-ratura massima, dai rendimenti dei singoli componenti dell'impianto. Ciclo complesso con compressione interrefrigerata: prestazioni. Ciclo complesso con espansione intercalata da ri-combustione: prestazioni. Cicli rigenerativi ideali e cicli rigenerativi reali a diversa efficacia della rigenerazione: prestazioni. Cicli rigenerativi complessi: la nozione di efficacia minima della rigenerazione.
Cenni sulle caratteristiche costruttive degli impianti: la disposizione meccanica delle diverse turbomacchine; il combustore; la refrigerazione delle palette del turboespansore.
Gli impianti di turbina a vapore[circa 4 ore].
Il ciclo Rankinesemplice, ideale e reale; i metodi per migliorame le prestazioni: condensa-zione a bassa pressione, vaporizzacondensa-zione ad alta pressione, surriscaldamento semplice e mul-tiplo. La rigenerazione mediante spillamenti. La cogenerazione: impianti a recupero totale e a recupero parziale. I cicli combinati. Cenni sul generatore di vapore; sul turboespansore, ad azione e a reazione; sui condensatori; sulle tenute lungo gli alberi rotanti.
ESERCITAZIONI
Nel corso delle esercitazioni in aula., oltre alla risoluzione di esercizi numerici, scelti in modo da rivedere con esempi e calcoli gli argomenti svolti precedentemente a lezione, vengono in particolare trattati direttamente gli aspetti applicativi riguardanti le prestazioni delle singole macchine.
BIBLIOGRAFIA
Non esiste un testo di riferimento che tratti tutti gli argomenti del corso esattamente come a lezione; è consigliabile pertanto prendere appunti, anche se la maggior parte degli argomenti sono trattati in modo adeguato nell'insieme dei 3 testi:
E. Antonelli - Richiami di Termodinamica applicata alle Macchine (Dispense).
E. Antonelli - Richiami di Termodinamica della combustione (Dispense).
A. Capetti - Motori Termici,Utet, Torino.
A.Capetti - Compressori di gas,V. Giorgio, Torino.
ESAME
L'esame comprende una prova scritta e una prova orale:
- la prova scritta si articola, di norma, su 3 esercizi riguardanti:
I) problemi di termodinamica o di fluidodinamica, 2) compressori di gas o pompe per liquidi, 3) motori alternativi o turbine a gas;
- l'interrogazione orale si articola., di norma, su 2 domande riguardanti argomenti diversi da quelli oggetto dello scritto.
In entrambe le prove viene privilegiata la capacità di ragionamento rispetto allo sforzo mne-monico - gli esercizi e le domande sono semplici se si sono comprese le nozioni di base e i principi di funzionamento delle macchine.
Èprevista la possibilità di due compiti di esonero dallo scritto, da svolgersi, rispettivamente, nella penultima settimana di dicembre e nella seconda settimana di gennaio.