Obiettivi e risultati di apprendimento attesi
Il corso di fornisce le nozioni fondamentali sugli aspetti essenziali dei processi energetici che hanno luogo nelle macchine: i principi della termodinamica e della trasmissione del calore, le leggi di funzionamento e i criteri di scelta e utilizzo delle macchine a fluido e scambiatori di calore, presentati come componenti di impiego universale in applicazioni del settore energetico. L’obiettivo principale del corso è fornire all'allievo le competenze necessarie per la descrizione e l'analisi di un sistema termodinamico attraverso la definizione dei relativi bilanci di massa ed energia.

Programma dettagliato
Premessa
Lo scenario energetico nazionale e internazionale. Fonti e consumi di energia. Classificazione, evoluzione e prestazioni delle principali tecnologie di conversione dell’energia. Scenari e prospettive per il XXI secolo.

Fondamenti di termodinamica
I principi della termodinamica. Definizione di sistema termodinamico e delle grandezze che lo caratterizzano. Conservazione della massa, della quantità di moto, dell'energia. Processi stazionari. Secondo principio della termodinamica: non decrescita dell’entropia; bilancio di entropia.
Calcolo delle proprietà delle sostanze. Sostanze pure: stati di aggregazione e transizioni di fase; punto triplo e punto critico; diagrammi di stato nei piani p-v, T-s, h-s. Titolo di un vapore. Calori specifici. Equazioni di stato: gas ideali, liquidi e solidi incomprimibili, gas reali. Miscele di gas e vapori.
Cenni di fluidodinamica. Viscosità, regime di moto laminare e turbolento, perdite di carico. Moto nei condotti di fluidi incomprimibili e comprimibili.

Principi generali di funzionamento delle macchine a fluido
Introduzione alle macchine a fluido. Lavoro euleriano. Riferimento assoluto e relativo: triangoli di velocità. Macchine motrici e operatrici.
Macchine a fluido incomprimibile. Energia idraulica, salto motore, prevalenza. Rendimento idraulico delle macchine. Macchine motrici e operatrici: pompe centrifughe e assiali, turbine Pelton, Francis e Kaplan. Teoria della similitudine e classificazione delle macchine idrauliche. Cavitazione. Curve caratteristiche e accoppiamento macchina-impianto idraulico. Macchine in serie e in parallelo. Regolazione di turbine idrauliche e pompe.
Macchine a fluido comprimibile. Turbocompressori centrifughi ed assiali. Curve caratteristiche compressori ed espansori. Rappresentazione nel piano h-s. Rendimenti isoentropici. Problematiche del dimensionamento di macchine multistadio.

Trasmissione del calore
Conduzione. Legge di Fourier. Equazione della conduzione. Grandezze adimensionali caratteristiche. Conduzione in regime stazionario. Resistenza termica. Cenni alla trasmissione del calore in superfici alettate.
Convezione. Caratteristiche della convezione. Introduzione alla similitudine termofluidodinamica. Grandezze adimensionali caratteristiche e correlazioni di scambio. Convezione forzata e naturale.
Irraggiamento. Cenni sulla trasmissione di calore per irraggiamento.
Scambiatori di calore. Tipologie degli scambiatori. Coefficiente globale di scambio termico. Differenza media logaritmica di temperatura. Cenni sul dimensionamento degli scambiatori e di sistemi di smaltimento del calore.

Sistemi Energetici
Introduzione. Ciclo di Carnot. Definizione dei rendimenti di primo e secondo principio.
Cenni sui cicli motore. Caratteristiche termodinamiche dei cicli Rankine a vapore e Joule-Brayton a gas. Cicli Otto e Diesel per motori a combustione interna.
Cicli termodinamici inversi. Fluidi di lavoro e loro impatto ambientale. Componenti d'impianto e indici di prestazioni per impianti frigorigeni e pompe di calore. Progetto e regolazione di impianti a compressione. Macchine ad assorbimento.

La verifica dell'apprendimento consiste in un'unica prova scritta suddivisa in due sezioni:
1) risoluzione di esercizi numerici
2) domande a risposta multipla o aperta su tutti gli argomenti del corso

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