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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 089189 - FISICA TECNICA E MACCHINE
Docente Bombarda Paola Angela
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 (349) INGEGNERIA ELETTRICA*AZZZZ089189 - FISICA TECNICA E MACCHINE
089190 - FISICA TECNICA E MACCHINE (PROFESSIONALIZZANTE)
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (498) FOOD ENGINEERING*AZZZZ088805 - FISICA TECNICA

Obiettivi dell'insegnamento

Verranno fornite le nozioni fondamentali necessarie per comprendere le trasformazioni che avvengono nei componenti dei sistemi energetici, e cioè macchine a fluido e scambiatori di calore. Essi saranno presentati come componenti di impiego universale, specificandone le leggi di funzionamento ed i criteri di scelta.

L’obiettivo dell’insegnamento è la padronanza di principi e leggi fondamentali e lo sviluppo delle metodologie necessarie per la definizione, descrizione e analisi di un sistema termodinamico, eventualmente complesso, attraverso la formulazione dei bilanci di massa ed energia, e la valutazione delle prestazioni sia dei componenti, sia del sistema nel complesso. Saranno considerate con particolare dettaglio le applicazioni finalizzate alla produzione di energia elettrica in impianti idraulici e termici.


Risultati di apprendimento attesi

A seguito del superamento dell’esame, lo studente

  • conosce i principi e le leggi fondamentali della termodinamica e trasmissione del calore, e le leggi di funzionamento delle macchine, e comprende i nessi logici e matematici tra le grandezze che vi compaiono
  • è in grado di calcolare le proprietà termodinamiche delle sostanze pure
  • è in grado di individuare le limitazioni cui sono soggetti i processi reali in conseguenza dei principi della termodinamica
  • è in grado di applicare principi e leggi fondamentali agli scambiatori di calore
  • è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica il funzionamento delle macchine motrici e operatrici e di selezionare la macchina più idonea per una determinata applicazione.
  • è in grado di definire, discutere e analizzare lo schema di un impianto per generazione di energia elettrica, sia idraulico che termico, dove è necessario capire la funzione e le problematiche dei singoli componenti presenti nello schema, di calcolarne le prestazioni
  • conosce il linguaggio tecnico inerente gli argomenti trattati ed è in grado di comunicare e giustificare i risultati dell'analisi effettuata e delle scelte operate.

Argomenti trattati

Fondamenti di termodinamica:

Introduzione: Sistema termodinamico, pressione, temperatura, energia interna, entalpia ed entropia. Equilibrio, zeresimo principio della termodinamica; lavoro e calore. Classificazione dei sistemi termodinamici, trasformazioni termodinamiche.

Primo principio della termodinamica.

Proprietà delle sostanze pure: sostanze pure: stati di aggregazione e transizioni di fase; punto triplo e punto critico; diagrammi di stato nei piani p-T, p-v, T-s, h-s (Mollier); titolo di un vapore. Calori specifici. Relazione fondamentale. Equazioni di Maxwell e coefficienti volumetrici. Equazioni di stato: gas ideali, liquidi e solidi incomprimibili; gas reali. Calcolo delle proprietà termodinamiche per i gas perfetti ed i liquidi/solidi incomprimibili. Trasformazioni politropiche per i gas perfetti.

Cenni di fluidodinamica: viscosità, regime di moto laminare e turbolento, numero di Reynolds.

Equazioni di conservazione e bilancio per i sistemi aperti: introduzione, conservazione della massa, della quantità di moto, dell'energia; processi stazionari.

Secondo principio della termodinamica: bilancio di entropia; non decrescita dell’entropia.

Applicazioni: Moto in condotti a sezione variabile. Conservazione della massa e dell’energia per i fluidi incomprimibili; perdite di carico. Aria umida, torre di raffreddamento.

Cicli termodinamici: introduzione, ciclo di Carnot. Cicli diretti: cicli Rankine e Joule-Brayton; rigenerazione; cenno ad altri cicli.  Cicli inversi (frigoriferi e pompe di calore). Rendimenti di primo e secondo principio

 Trasmissione del calore: 

Generalità sui meccanismi di trasporto di energia. Applicazione del bilancio di energia alla trasmissione del calore.

Conduzione: legge ed equazione di Fourier, sua integrazione in regime stazionario con flusso monodirezionale in geometria piana e cilindrica, con e senza generazione uniforme di potenza; resistenza termica di contatto; cenno alle superfici estese.

Convezione: convezione forzata, naturale e mista; legge di Newton. Similitudine termofluidodinamica: numeri adimensionali di Nusselt e Prandtl, e uso di correlazioni adimensionali; applicazione al flusso all'interno di condotti, potenza di pompaggio.

Irraggiamento: cenni sulla trasmissione di calore per irraggiamento: principali leggi fisiche, scambi di energia per irraggiamento, corpo nero.

Scambiatori di calore: scambiatori equicorrente, controcorrente e a correnti incrociate; coefficiente globale di scambio termico, differenza media logaritmica di temperatura, cenno al dimensionamento degli scambiatori.

Principi generali di funzionamento delle macchine:

Introduzione alle macchine a fluido. Classificazione delle macchine. Triangoli di velocità nelle turbomacchine; lavoro euleriano; conservazione dell’energia nel sistema fisso e nel sistema rotante.

Macchine a fluido incomprimibile: pompe centrifughe, rendimento idraulico, curve caratteristiche e accoppiamento macchina-impianto idraulico, potenza assorbita e regolazione. Pompe (e circuiti idraulici) in serie e in parallelo. Cenno alle pompe assiali. Cavitazione. Impianto idraulico motore. Turbine Francis, Kaplan, Pelton, rendimento idraulico e potenza erogata, regolazione; pompe/turbine reversibili (cenni). Teoria della similitudine; curve caratteristiche adimensionali; diagramma di Baljè.

Macchine a fluido comprimibile: processo di elaborazione di un fluido comprimibile; lavoro, recupero e controrecupero; compressione interrefrigerata; rendimento isoentropico. Turbocompressori centrifughi ed assiali; curve caratteristiche. Stadio di turbina assiale ad azione ed a reazione, rappresentazione dell’espansione nel piano h-s; configurazioni multistadio.

Sistemi energetici:

Turbine a gas: lavoro e rendimento di cicli termodinamici ideali e reali (semplice, con rigenerazione e interrefrigerato; cenno alla post-combustione). Problematiche tecnologiche; influenza delle condizioni ambiente. Cenni ai motori aeronautici. Regolazione.

Impianti a vapore: lavoro e rendimento di cicli termodinamici ideali e reali (a vapore saturo, con spillamenti rigenerativi e surriscaldato). Schemi di impianto e generalità sui principali componenti. Problematiche delle grandi turbine a vapore multistadio. Regolazione.

Impianti a ciclo combinato gas-vapore: generatore di vapore a recupero. Ciclo a recupero e rendimento di recupero Regolazione.

Impianti di cogenerazione: definizione, rendimenti e schemi di impianto fondamentali.

Le esercitazioni consistono in una serie di esercizi numerici di applicazione e approfondimento degli argomenti trattati a lezione e sono parte integrante dell'insegnamento.


Prerequisiti

L’insegnamento presuppone conoscenze elementari di:

Analisi matematica (derivate e integrali; derivate parziali)

Fisica (grandezze fisiche; lavoro ed energia; teoria cinetica dei gas; I Principio della Termodinamica)

Chimica (concetti elementari)


Modalità di valutazione

Non sono previste prove in itinere. L’esame può essere superato presentandosi agli appelli fissati dalla Presidenza, e consta di una prova scritta. La prova scritta, della durata di 2 ore e 30 minuti, è articolata in due parti:

  • esercizi numerici
  • teoria

Gli esercizi numerici sono 4 (trasmissione del calore, conservazione energia, impianto idraulico operatore o motore, ciclo termodinamico diretto o inverso) e la loro risoluzione richiede di

  • calcolare un processo di scambio termico   
  • impostare ed eseguire bilanci di massa ed energia su sistemi chiusi e/o aperti e cicli termodinamici diretti e/o inversi
  • calcolare le proprietà termodinamiche dei fluidi e/o utilizzare il diagramma di Mollier
  • valutare la prestazione di macchine a fluido ed effettuare la scelta delle macchine che consentono di soddisfare determinate condizioni di esercizio
  • valutare la prestazione di un sistema energetico

Le domande di teoria sono in parte “a risposta multipla” e in parte a risposta aperta; non sono richieste dimostrazioni ma può essere richiesta una soluzione grafica che consiste nel tracciare uno schema di impianto o un ciclo termodinamico

Tutti risultati numerici devono essere giustificati; la valutazione dello scritto è basata sia sui risultati numerici sia sulla completezza e chiarezza dello svolgimento. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione del compito.

Il superamento dell'esame richiede una votazione superiore o uguale a 18. Non sono previste penalità per lo studente che incorra in una valutazione insufficiente.

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriamateriale didattico sul portale Beep https://beep.metid.polimi.it/
Note:

Il materiale caricato viene continuamente aggiornato e può essere integrato da opportuni testi scelti nel sottostante elenco. Maggiori informazioni sulla bibliografia vengono fornite durante la prima lezione di presentazione del corso.

Risorsa bibliografica facoltativaMoran. M., Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria, Editore: Mc Graw Hill, Anno edizione: 2011, ISBN: 978-88-386-6550-9
Risorsa bibliografica facoltativaV. Dossena, G. Ferrari, P. Gaetani, G. Montenegro, A. Onorati, G. Persico, Macchine a fluido, Editore: CittàStudiEdizioni, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788825173970

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
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
28/01/2020