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Risorsa bibliografica facoltativa
Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 086470 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Docente Della Torre Augusto
Cfu 7.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - BV (353) INGEGNERIA MECCANICA*AL086470 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - BV (478) NUCLEAR ENGINEERING - INGEGNERIA NUCLEARE*AZZZZ096193 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI

Obiettivi dell'insegnamento

Le macchine a fluido e gli impianti in cui esse vengono impiegate (sistemi energetici) rappresentano uno dei principali campi di applicazione dell'ingegneria industriale. Attualmente, la necessità di ridurre i consumi energetici richiede macchine ed impianti sempre più efficienti sia in ambito industriale che civile. 

Per questo motivo, il corso si propone di fornire le conoscenze fondamentali riguardanti: 

  • l'utilizzo delle fonti energetiche primarie e le problematiche ambientali che ne conseguono (emissioni di anidride carbonica, esaurimento delle fonti non rinnovabili, impiego efficiente di quelle rinnovabili, emissioni inquinanti);
  • i principi di funzionamento delle principali macchine a fluido (pompe, compressori, turbine, motori);
  • i criteri di progettazione e scelta delle macchine a fluido e le loro problematiche di esercizio;
  • i processi di conversione dell'energia negli impianti che producono energia elettrica e termica, identificando l'effetto dei componenti impiegati sulle prestazioni e sull'efficienza globale.

Il corso è articolato su una serie di lezioni e di esercitazioni applicative, connesse agli argomenti delle lezioni, volte a consolidare le conoscenze ed i metodi appresi a lezione.


Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

  • conosce e comprende le metodologie ed i principi per descrivere in termini matematici il comportamento termodinamico di macchine a fluido e di sistemi energetici;
  • conosce i principali fenomeni termofluidodinamici che caratterizzano le prestazioni, l'efficienza ed il funzionamento di una macchina a fluido;
  • conosce e comprende le modalità di descrizione del comportamento delle macchine a fluido mediante adeguate curve caratteristiche;
  • comprende i principali parametri di progetto che determinano la scelta di un particolare particolare tipo di macchina;
  • conosce i principali componenti che costituiscono gli impianti di produzione di energia elettrica mediante fonti rinnovabili e non rinnovabili;
  • comprende come i componenti d'impianto influiscono sulle prestazioni e sull'efficienza di un sistema energetico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

  • è in grado di scegliere un'opportuna macchina a fluido (turbina, compressore, pompa, motore) per un determinato impiego noti i principali parametri di progetto
  • sa calcolare le prestazioni ed il rendimento di una macchina a fluido o di un sistema energetico
  • è in grado di identificare le principali fonti di perdita di efficienza nelle macchine e negli impianti, suggerendo soluzioni che possano ridurle
  • può svolgere un dimensionamento di massima di una turbomacchina (assiale o centrifuga)

Argomenti trattati

Elementi di teoria delle macchine: Fonti e fabbisogni di energia. Principi generali. Moto nei condotti di fluidi comprimibili e incomprimibili, velocità del suono. Riferimento assoluto e relativo: triangoli di velocità. Lavoro euleriano. Classificazione delle macchine.

Macchine idrauliche (turbine, pompe): Energia idraulica, salto motore e prevalenza. La teoria della similitudine idraulica. Classificazione delle macchine idrauliche. Controllo della cavitazione nelle pompe e nelle turbine. Turbine Pelton, Francis e Kaplan. Pompe centrifughe, pompe volumetriche, curve caratteristiche. Accoppiamento macchina-impianto e stabilità.

Turbine Eoliche (*): Classificazione, teoria di Betz, prestazioni e rendimenti. 

Compressori di gas: Compressione dei gas: rendimenti ed interrefrigerazione. Compressori centrifughi, assiali e volumetrici. Curve caratteristiche di prestazioni. Funzionamento anomalo.

Macchine a vapore e relativi impianti: Cicli termodinamici e schemi d'impianto: a vapor saturo, a vapore surriscaldato, a surriscaldamenti ripetuti. Preriscaldamento rigenerativo dell'acqua. Uso del diagramma di Mollier e delle tavole del vapor d'acqua. Stadi assiali ad azione e reazione. Turbine multi-stadio. I generatori di vapore: generalità e principi di funzionamento. Condensatori e rigeneratori, confronti e schemi di impianto.

Turbine a gas e relativi impianti: Rendimento e lavoro del ciclo a gas semplice ideale e reale. Influenza della temperatura massima del ciclo. Possibili schemi di impianto. Cicli con interrefrigerazione, con ricombustione, con rigenerazione. Cicli combinati turbina a gas - turbina a vapore, caldaie a recupero.

Motori a combustione interna (*): Ciclo ideale, ciclo limite, ciclo indicato. Rendimenti e potenze. Motori sovralimentati. Caratteristiche d'impiego del motore ad accensione comandata e del motore Diesel. Problemi di combustione e controllo delle emissioni inquinanti.

Impianti di cogenerazione (*): Rendimenti caratteristici e risparmio di energia primaria. Schemi di impianto con turbina a vapore, turbina a gas e motore a combustione interna.

Impatto ambientale dei sistemi energetici (*): Meccanismi di formazione dei principali inquinanti. Valutazione dell'impatto ambientale delle diverse tecnologie e descrizione dei principali sistemi per l'abbattimento delle emissioni nocive.

(*) gli argomenti contrassegnati dall’asterisco sono opzionali per gli allievi che inseriscono nel piano di studi l’insegnamento di 5 CFU. 


Prerequisiti

Sono necessarie le conoscenze acquisite nell'ambito dell'Analisi Matematica, con particolare riferimento al calcolo differenziale ed integrale. Sono necessarie le conoscenze di cinematica, meccanica e termodinamica acquisite nel corso di Fisica Sperimentale. Sono necessarie conoscenze di Fisica Tecnica legate ai principi della termodinamica, trasformazioni termodinamiche, cicli ed equazioni di stato. 

 

 


Modalità di valutazione

Sono previsti cinque appelli d'esame, nelle date stabilite dal calendario accademico (due in gennaio-febbraio, due in giugno-luglio, una a settembre).

Ciascuna prova si compone di tre parti

  • Prima parte: 10 domande a risposta multipla;
  • Seconda parte: due esercizi;
  • Terza parte: due domande di teoria.

La prima parte viene ritirata prima dello svolgimento della seconda parte. Tutti gli studenti possono accedere alla seconda e terza parte.

I punteggi sono così suddivisi:

  • Prima parte:  5/32 
  • Seconda parte: 16/32 
  • Terza parte: 11/32 

La prova risulterà sufficiente nel caso in cui si otterrà un punteggio complessivo pari a 18/30. Coloro che hanno totalizzato meno di 6 quesiti esatti alla fine della prima parte e un punteggio complessivo inferiore a 12/30 nella prova scritta non potranno sostenere l'esame nel successivo appello della sessione.

L'esame ha l'obiettivo di verificare se lo studente abbia acquisito in maniera adeguata le seguenti competenze:

- Prima parte: la conoscenza e la comprensione di concetti generali

• delle equazioni fondamentali che governano il funzionamento delle macchine a fluido e dei sistemi energetici;
• delle trasformazioni principali che avvengono nelle macchine a fluido;
• degli aspetti fluidodinamici di base (triangoli delle velocità) che caratterizzano le turbomacchine e della loro influenza sulle prestazioni delle macchine stesse;
• dei principali parametri che descrivono il funzionamento delle macchine a fluido: potenza, rendimento, curve caratteristiche;
• dei principali parametri che descrivono il funzionamento dei sistemi energetici: potenza e rendimento;

- Seconda parte: la capacità di applicare le conoscenze acquisite

• al calcolo delle prestazioni e dei rendimenti delle turbomacchine (turbine idrauliche, turbine a gas, turbine a vapore, pompe, compressori);
• al calcolo delle prestazioni e dei rendimenti di impianti di produzione di energia elettrica mediante cicli a vapore, cicli a gas e turbine idrauliche;
• al calcolo delle consumi energetici degli impianti di pompaggio e di compressione di gas;
• per la scelta di una determinata tipologia di macchina dati i principali parametri di funzionamento;
• per la progettazione di massima di una turbina assiale, un compressore;
• per la rappresentazione dei triangoli delle velocità nelle turbomacchine;

- Terza parte: la conoscenza e la comprensione dei contenuti specifici

• macchine idrauliche e termiche: descrizione del funzionamento, delle prestazioni, del rendimento, delle principali trasformazioni termodinamiche e degli aspetti fluidodinamici;
• classificazione delle differenti macchine a fluido mediante la teoria della similitudine;
• sistemi energetici: descrizione del funzionamento, dei componenti, delle prestazioni e del rendimento di differenti impianti (sollevamento acqua, centrali idroelettriche, centrali a vapore, centrali a gas, impianti di cogenerazione).

Gli argomenti indicati con un asterisco (*) nel programma dettagliato costituiscono argomenti opzionali per gli allievi che inseriscono nel piano di studi l’insegnamento di 5 CFU.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaVincenzo Dossena, Giancarlo Ferrari, Paolo Gaetani, Gianluca Montenegro, Angelo Onorati, Giacomo Persico, Macchine a Fluido, Editore: Città Studi, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788825173970
Risorsa bibliografica facoltativaGiancarlo Ferrari, Hydraulic Thermal Machines , Editore: Progetto Leonardo, ISBN: 9788874882199
Risorsa bibliografica facoltativaS. L. Dixon, C. A. Hall, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Editore: Elsevier Science, ISBN: 9780124159549

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
45:17
67:56
Esercitazione
22:40
34:01
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
2:01
3:02
Totale 69:58 104:59

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.8.0 / 1.8.0
Area Servizi ICT
29/01/2023