Il corso fornisce conoscenze fondamentali su principi di funzionamento, elementi di progetto, criteri di scelta delle macchine a fluido e loro applicazioni nei settori dell'industria, dell'energia e dei trasporti. L'obiettivo del corso è lo sviluppo delle competenze necessarie per la definizione del bilancio energetico di un sistema termodinamico, l'impostazione di un progetto di massima e la scelta della macchina più opportuna in relazione all'impianto e alle condizioni operative richieste.

Al termine del corso agli studenti avranno fatto propri contenuti e pratiche d’esercizio secondo quanto stabilito negli obiettivi formativi.

In termini di conoscenza e capacità di comprensione, gli studenti saranno in grado di:

• elencare e descrivere i principi di funzionamento, gli elementi di progetto e i criteri di scelta delle principali tipologie di macchine a fluido;
• mostrare ed esaminare diverse applicazioni delle macchine a fluido nei settori dell’industria, dell’energia e dei trasporti.

In merito all’applicazione della conoscenza e della capacità di comprensione acquisite, gli studenti potranno:

• calcolare il bilancio energetico di un sistema termodinamico;
• impostare il progetto di massima di una macchina a fluido.

Attraverso i diversi progetti illustrati e svolti nell’ambito delle esercitazioni, gli studenti acquisiranno, inoltre, la capacità di formulare giudizi in autonomia, con la capacità di scegliere la macchina a fluido più opportuna in relazione all’impianto e alle condizioni operative richieste.

Inoltre, svolgendo i progetti presentati nell’ambito delle esercitazioni in gruppi ristretti, gli studenti saranno in maniera autonoma in grado di combinare, integrare e rielaborare le conoscenze acquisite, discriminando fra le possibili scelte progettuali sino a definire convincenti soluzioni ingegneristiche.

Infine, gli studenti avranno migliorato le loro capacità comunicative, soprattutto grazie alla pianificazione dell’attività progettuale all’interno dei gruppi di lavoro ristretti, e allo sforzo di presentazione dei risultati conseguiti attraverso le relazioni di progetto.

Le attività didattiche sono realizzate a mezzo di lezioni frontali ed esercitazioni, nonché visite tecniche a significativi impianti di conversione energetica e/o industrie attive nella produzione di macchine a fluido.

L’insegnamento si basa su argomenti divisi in moduli come descritto in seguito:

Modulo 1 Proprietà dei fluidi e principi fondamentali

Fonti e fabbisogni di energia

Principi generali e proprietà termodinamiche dei fluidi

Principio di conservazione dell'energia in sistemi aperti e chiusi

Moto nei condotti di fluidi comprimibili e incomprimibili, numero di Mach

Modulo 2 Elementi di teoria delle macchine

Sistema di riferimento assoluto e relativo: i triangoli di velocità

Lavoro euleriano

Forze aerodinamiche sui profili

Classificazione delle macchine

Modulo 3 Macchine idrauliche (turbine, pompe)

Energia idraulica

Salto motore, prevalenza, rendimento idraulico

Teoria della similitudine e parametri adimensionali; diagrammi statistici

Cavitazione in pompe e turbine, NPSH

Turbine Pelton, Francis e Kaplan

Il diffusore

Pompe a flusso continuo: elementi di progetto, curve caratteristiche

Accoppiamento macchina-impianto, regolazione e stabilità

Modulo 4 Compressori di gas

Termodinamica della compressione dei gas: effetti delle irreversibilità, controrecupero, rendimenti

Interrefrigerazione

Compressori centrifughi e assiali: elementi di progetto, curve di funzionamento.

Funzionamenti anomali

Modulo 5 Cicli e turbine a vapore

Cicli termodinamici e schemi d'impianto: a vapore surriscaldato, con surriscaldamenti ripetuti e rigenerativi

Uso di tavole e diagrammi per il vapor d'acqua

Stadi assiali tipici ad azione e reazione e loro prestazioni

Turbine a vapore multistadio: architettura e problematiche di progetto delle palettature di alta e bassa pressione

Regolazione di potenza e influenza sulle prestazioni

Modulo 6 Combustibili e combustione

Combustibili solidi, liquidi e gassosi

Bilancio stechiometrico elementare, eccesso d'aria

Bilancio dell’energia di sistemi reattivi: potere calorifico

Cenni su caldaie e generatori di vapore

Modulo 7 Cicli e turbine a gas

Rendimento e lavoro del ciclo Joule

Influenza della temperatura massima e del rapporto di compressione

Componenti: compressore, turbina e camera di combustione

Schemi di impianto delle principali applicazioni stazionarie e propulsive

Evoluzione tecnologica delle turbine a gas

Cenni ai cicli combinati

Modulo 8 Motori volumetrici

Ciclo Otto e ciclo Diesel, ciclo limite, ciclo indicato

Motori ad accensione spontanea e comandata a due e quattro tempi: caratteristiche e campi di impiego, proprietà dei combustibili

Pressione media indicata, effettiva e potenza utile

Sovralimentazione e interrefrigerazione

Lo studente deve avere conoscenze pregresse delle tematiche trattate dall’insegnamento di Fisica Tecnica, nonché delle stesse basi richieste da tale insegnamento.

Le esercitazioni consistono in una serie di esercizi di applicazione numerica dei concetti trattati durante le lezioni e in alcuni esempi di dimensionamento preliminare di turbomacchine. Sono previste undici esercitazioni. Agli studenti è data facoltà di redigere le relazioni relative alle esercitazioni formando dei gruppi di lavoro stabili. Le relazioni corrette, svolte in gruppo e consegnate secondo la tempistica definita, insieme alla frequenza alle visite tecniche, forniscono un contributo massimo di 5/30 utile per il superamento della prova scritta.

L’esame consiste in una prova scritta e una prova orale.

La prova scritta si articola in tre domande di teoria (2,5/30 cad.), che richiedono risposte sintetiche, e due problemi applicativi (22,5/30 complessivi), uno su tematiche relative alle macchine/sistemi idraulici, l’altro su tematiche relative alle macchine/sistemi termici.

L’accesso alla prova orale è riservato a chi ha conseguito un risultato sufficiente (i.e. >= 18/30 includendo anche l’eventuale contributo delle esercitazioni / visite tecniche) alla prova scritta.

Mediante la prova scritta, lo studente deve:

• dimostrare la conoscenza dei principi di funzionamento, degli elementi di progetto e dei criteri di scelta delle macchine a fluido;
• dimostrare la conoscenza di varie applicazioni delle macchine a fluido nei settori dell’industria, dell’energia e dei trasporti;
• mostrare la capacità di definire il bilancio energetico di un sistema termodinamico;
• mostrare la capacità di impostare il progetto di massima di una macchina a fluido;
• mostrare la capacità di scegliere la macchina a fluido più opportuna in relazione all’impianto e alle condizioni operative richieste.

Mediante la prova orale, lo studente, oltre a confermare quanto sopra, deve dimostrare una comprensione delle tematiche tale da mostrare capacità d’applicazione delle conoscenze acquisite anche a situazioni non espressamente trattate nelle lezioni/esercitazioni dell’insegnamento.

Valutazione finale

Per superare l’insegnamento, gli studenti devono mostrare in maniera soddisfacente di aver acquisito le conoscenze di base illustrate durante le lezioni e la capacità di applicarle nella risoluzione di semplici problemi progettuali.

Per ottenere la valutazione massima prevista (30/30L), è richiesta capacità d’analisi e risoluzione anche di problematiche non espressamente trattate nelle lezioni/esercitazioni, ma che coinvolgono le conoscenze e le metodiche illustrate nell’ambito dell’insegnamento.