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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 061182 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Docente Spinelli Andrea
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (347) INGEGNERIA CHIMICA*AZZZZ061182 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ061182 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - BV (478) NUCLEAR ENGINEERING - INGEGNERIA NUCLEARE*AZZZZ061182 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ061182 - MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI

Obiettivi dell'insegnamento

L'insegnamento ha come obiettivi quelli di fornire le conoscenze necessarie a valutare le caratteristiche di funzionamento dei componenti di un’ampia gamma di impianti energetici industriali e civili, e di farne acquisire gli essenziali criteri di progetto e analisi. Questo sia tramite i fondamenti teorici sia tramite la soluzione di esercizi con particolare connotazione applicativa. Allo scopo di mostrare sistemi avanzati e applicazioni industriali reali, durante l'insegnamento potranno essere organizzati seminari di approfondimento e visite a impianti o laboratori.

I componenti dei sistemi energetici impiegano fluidi di lavoro che realizzano trasformazioni termodinamiche atte a permettere lo scambio energetico con l’esterno, sia allo scopo di estrarre energia dal fluido di lavoro, sia allo scopo di somministrare al fluido stesso energia. Tali componenti sono essenzialmente le macchine, destinate allo scambio di lavoro meccanico, gli scambiatori di calore, destinati allo scambio di energia termica e dispositivi di conversione diretta in energia elettrica (quali le celle a combustibile).

All'interno dell'insegnamento, macchine, scambiatori di calore e altri componenti vengono esaminati sia nella loro individualità, sia nel contesto degli impianti di conversione energetica di cui sono parte fondamentale.

 


Risultati di apprendimento attesi

A seguito del superamento dell'esame, lo studente:

- conosce e applica correttamente i principi di base che governano il comportamento stazionario di macchine e sistemi energetici, sapendo formulare i bilanci di massa, momento della quantità di moto ed energia per i componenti dei sistemi energetici;

- è in grado di selezionare la tipologia di componenti più adatti a eseguire le diverse trasformazioni nei sistemi energetici; in funzione di applicazione, taglia, fluido di lavoro;

- conosce ed è in grado di applicare i criteri essenziali per il dimensionamento e il progetto preliminare delle macchine a fluido e degli scambiatori di calore, e degli altri componenti (valvole, piping, ecc.) che costituiscono un sistema energetico per applicazioni industriali o civili;

- è in grado di determinare le caratteristiche prestazionali di macchine e sistemi energetici e di giudicarne la bontà rispetto all'attuale stato dell'arte.


Argomenti trattati

Introduzione: definizione di Sistemi Energetici e Macchine. Panorama energetico globale: soddisfacimento dei bisogni energetici e fonti di energia.

Richiami di termodinamica: I e II Principio della termodinamica. Modelli termodinamici dei fluidi: gas ideali e perfetti, liquidi ideali e perfetti, fluidi reali e bifase.

Bilanci di massa ed energia: Equazioni di bilancio della massa e dell’energia in forma termica e meccanica. Equazione di bilancio dell’energia in un sistema di riferimento relativo.

Descrizione e classificazione delle macchine: Classificazione delle macchine. Architettura degli stadi di turbomacchine. Schemi di flusso nelle turbomacchine: superfici meridiana e interpalare. Coordinate nelle schiere di turbomacchine.

Bilancio del momento angolare per turbomacchine: Bilancio del momento della quantità di moto per turbomacchine: prima formulazione dell'equazione di Eulero. Triangoli di velocità, sistemi di riferimento, convenzioni di segno per componenti di velocità e angoli cinematici. Seconda formulazione dell’equazione di Eulero: geometria delle schiere per stadi di macchine motrici e operatrici.

Idraulica e impianti di pompaggio: Applicazione equazioni di bilancio energia e energia meccanica a macchine, scambiatori di calore, valvole. Idraulica: moto nei condotti, impianti idraulici di sollevamento, condotti in parallelo.

Teoria della similitudine: Similitudine e teorema di Buckingham applicati alle macchine idrauliche. Scelta e classificazione delle macchine. Grandezze specifiche (ws, Ds) e diagrammi statistici (Cordier, Baljé) per macchine idrauliche.

Turbo-pompe centrifughe: Architettura e caratteristiche. Elementi di aerodinamica dei profili. Curve caratteristiche dimensionali e adimensionali di prevalenza e rendimento. Deduzione delle curve per macchine geometricamente simili. Accoppiamento macchina-impianto, pompe in serie e in parallelo. Stabilità di funzionamento. Cavitazione: fenomenologia, NPSH e altezza massima di aspirazione.

Altre pompe e ventilatori: Pompe a flusso misto, pompe assiali, pompe volumetriche. Ventilatori.

Impianti idroelettrici e turbine idrauliche: Salto motore e classificazione e descrizione delle turbine idrauliche. Turbina Pelton, Francis, Kaplan e a bulbo: architettura, componenti e campi di applicazione. Elementi di ottimizzazione e regolazione delle macchine. Recupero dell'energia cinetica allo scarico: diffusore e perdite. Cavitazione e altezza massima d'installazione.

Introduzione alle macchine termiche: trasformazioni termodinamiche di compressione ed espansione. Modellazione con trasformazioni isoentropiche e reali. Trasformazioni politropiche, recupero e contro-recupero. Rendimenti isoentropico e politropico. Trasformazioni reali in stadi di turbomacchine. Macchine multistadio.

Elementi di gasdinamica: correnti comprimibili 1D. Propagazione delle perturbazioni nelle correnti fluide: velocità del suono, numero di Mach, comprimibilità. Regimi di moto. Grandezze totali e statiche e parametrizzazione in Mach per gas perfetti. Moto isoentropico in condotti a sezione variabile. Blocco di portata.

Similitudine in macchine termiche: limiti di validità dell'applicazione della similitudine idraulica alle macchine termiche. Estensione della similitudine a macchine termiche: numero di Mach periferico. Diagrammi statistici (Baljé, Cordier).

Compressori di gas: curve caratteristiche: rapporto di compressione, portata massica adimensionale, Mach periferico. Blocco di portata e pompaggio. Interrefrigerazione. Turbo-compressori centrifughi e assiali. Architettura, caratteristiche, triangoli di velocità, lavoro, rapporto di compressione e rendimenti. Configurazioni multistadio. Cenni ai compressori volumetrici.

Turbine termiche: turbine assiali e rapporti di espansione. Termodinamica dell'espansione. Rendimenti e perdite per energia cinetica allo scarico. Stadi tipici di turbine termiche assiali: stadi a reazione, ad azione e Curtis e loro applicazione. Parzializzazione e macchine multistadio.

Impianti a vapore d’acqua: cicli a transizione di fase in analogia con il ciclo di Carnot e ciclo Rankine. Rappresentazione sui piani h-s e T-s. Ciclo Rankine a vapor d’acqua. Configurazioni di ciclo: cicli saturi, surriscaldati, rigenerativi, ipercritici. Effetti sulle prestazioni delle temperature massime/minime, delle pressioni di evaporazione/condensazione e delle varianti al ciclo semplice. Calcolo del ciclo termodinamico. Rendimenti di ciclo e impianto. Componenti principali di impianto: generatore di vapore, il condensatore, rigeneratori, degasatore.

Cicli inversi: cicli frigoriferi e pompe di calore. Parametri prestazionali. Il ciclo semplice a compressione di vapore. Cicli rigenerativi e a compressione multipla di vapore. Componenti di impianto: scambiatori, valvola di laminazione. Scelta del fluido di lavoro. Cenni sul ciclo ad assorbimento.

Impianti Turbogas: il ciclo Joule-Brayton. Ciclo chiuso ideale: caratteristiche e prestazioni. Ciclo aperto ideale e reale: caratteristiche e prestazioni in relazione al ciclo chiuso. Componenti degli impianti turbogas. Tecnologie di raffreddamento delle palettature e di incremento della TIT. Modellazione del combustore. Applicazioni e architetture di impianto. Modifiche al ciclo semplice: rigenerazione, interrefrigerazione, postcombustione.

I cicli combinati: Recupero termici ideali (ciclo di Lorentz) e reali. Assetto di un ciclo combinato e componenti. Caldaie a recupero a singolo o più livelli di pressione. Prestazioni di un ciclo combinato.

Cogenerazione: aspetti termodinamici e scenario energetico. Indici di prestazione: rendimento di primo principio, IRE e rendimento di produzione elettrica. Tecnologie impiantistiche. La cogenerazione con cicli a vapore, con turbogas e con motori a combustione interna. Cenni ai sistemi cogenerativi di piccola taglia.

Cicli Rankine a fluido organico: effetti dell’impiego di fluidi ad elevata complessità e massa molare in cicli Rankine. Caratteristiche, prestazioni e applicazioni.

La tecnologia delle celle a combustibile: principi di funzionamento: fondamenti termodinamici, teoria di base e caratteristiche generali. Tipologie, campi ed esempi applicativi, criticità di sviluppo.


Prerequisiti

Prerequisiti per l'insegnamento sono le conoscenze di base di termodinamica e meccanica dei fluidi, nonché quelle dell'analisi matematica.


Modalità di valutazione

La frequenza di lezioni e esercitazioni non è obbligatoria ma vivamente consigliata. Le lezioni forniscono le conoscenze di base della materia sottolineando gli aspetti di maggiore importanza, le esercitazioni permettono l'acquisizione della dimestichezza necessaria per portare a effettiva soluzione i problemi caratterizzanti sistemi energetici e macchine reali.

La verifica dell’apprendimento consiste in una prova scritta atta a verificare, tramite la risoluzioni di esercizi e la risposta a domande teoriche, le conoscenza dei contenuti del corso. L’accesso alla prova scritta è subordinato al superamento di una prova preliminare (sempre scritta) volta a comprovare la conoscenza minima degli aspetti fondamentali dell'insegnamento. A seguito della prova scritta, non è prevista una prova orale.


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaV. Dossena, G. Ferrari, P. Gaetani, G. Montenegro, A. Onorati, G. Persico, Macchine a Fluido, Editore: Citt StudiEdizioni, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788825173970
Risorsa bibliografica facoltativaG. Lozza, Turbine a Gas e Cicli Combinati, Editore: Esculapio, Anno edizione: 2016, ISBN: 9788874889341

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
08/12/2019