logo-polimi
Loading...
Risorse bibliografiche
Risorsa bibliografica obbligatoria
Risorsa bibliografica facoltativa
Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
Insegnamento 095937 - FONDAMENTI DI CONVERSIONE DELL'ENERGIA
Docente Chiesa Paolo
Cfu 8.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing - Civ (1 liv.)(ord. 270) - MI (346) INGEGNERIA PER L'AMBIENTE E IL TERRITORIO*AZZZZ095937 - FONDAMENTI DI CONVERSIONE DELL'ENERGIA
Ing - Civ (Mag.)(ord. 270) - MI (489) INGEGNERIA PER L'AMBIENTE E IL TERRITORIO - ENVIRONMENTAL AND LAND PLANNING ENGINEERING*AZZZZ095937 - FONDAMENTI DI CONVERSIONE DELL'ENERGIA

Obiettivi dell'insegnamento

Il corso fornisce le basi fisiche e ingegneristiche per comprendere i 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 allo studente le competenze necessarie per la descrizione e l'analisi di un componente o impianto termodinamico attraverso la formulazione dei relativi bilanci di massa ed energia.


Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione
Lo studente conosce i principi di conservazione e dimostra di aver compreso i nessi logici e matematici tra le grandezze che vi compaiono.
Lo studente è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica i principi di funzionamento delle macchine motrici e operatrici e padroneggia i criteri di scelta.
Lo studente è in grado di descrivere sia qualitativamente sia in forma matematica gli aspetti di base della trasmissione del calore e dei componenti per lo scambio termico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente è capace di applicare le conoscenze di base sopra descritte per:
- impostare i di massa ed energia per descrivere i processi termodinamici che hanno luogo in macchine a fluido e scambiatori di calore
- calcolare le proprietà delle sostanze semplici e di miscele al fine di risolvere quantitativamente i bilanci di energia su semplici impianti idraulici e termici
- valutare la prestazione di macchine a fluido per assegnate condizioni operative ed effettuare la scelta delle macchine che consentono di soddisfare determinate condizioni di esercizio
- risolvere semplici dimensionamenti di apparati per lo scambio termico


Argomenti trattati

Fondamenti di termodinamica

Richiami sui principi della termodinamica. Trasformazioni termodinamiche reversibili. Definizione di gas ideale e perfetto. Trasformazioni politropiche per gas perfetti. Relazioni fondamentali della termodinamica.

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.

Principi di conservazione in sistemi aperti. Identificazione dei volumi di controllo. Equazioni globali di bilancio di massa, quantità di moto, energia. Principio di conservazione dell'energia in un sistema di riferimento rotante.

Principi generali di funzionamento delle macchine

Introduzione alle macchine a fluido. Equazione di Eulero. Triangoli delle velocità.

Macchine a fluido incomprimibile. Energia idraulica, salto motore, prevalenza. Rendimento idraulico di macchine motrici e operatrici. Curve caratteristiche e accoppiamento macchina-impianto idraulico. Teoria della similitudine fluidodinamica e classificazione delle macchine idrauliche. Pompe centrifughe e assiali, turbine Pelton, Francis e Kaplan. Dimensionamento di impianti idraulici. Regolazione di turbine idrauliche e pompe. Cavitazione.

Macchine a fluido comprimibile. Moto di un fluido comprimibile in un ugello convergente-divergente. Termodinamica delle trasformazioni in compressori ed espansori di gas. Definizione di lavoro tecnico e di rendimento delle trasformazioni reali. Curve caratteristiche di compressori ed espansori. Problematiche del dimensionamento di macchine multistadio.

Trasmissione del calore

Conduzione. Legge di Fourier. Equazione generale della conduzione. Conduzione in regime stazionario. Resistenza termica. Conduzione in regime variabile: approssimazione a parametri concentrati. Numero di Biot.

Convezione. Caratteristiche della convezione e grandezze fisiche caratteristiche. Grandezze adimensionali caratteristiche e correlazioni di scambio per convezione forzata e naturale.

Irraggiamento. Fenomenologia della radiazione termica. Grandezze caratteristiche monocromatiche e totali. Corpo nero: proprietà e leggi caratteristiche. Cenni sulla trasmissione di calore per irraggiamento fra superfici reali.

Scambiatori di calore. Cenni alla trasmissione del calore in superfici alettate. Coefficiente globale di scambio termico. Differenza media logaritmica di temperatura. Cenni sul dimensionamento e la verifica degli scambiatori. Tipologie degli scambiatori. Metodo epsilon-NTU per la verifica di scambiatori.

Scambio termico evaporativo. Miscele di gas e vapori. Equilibrio vapore-liquido di specie in miscela. Aria umida: definizioni di umidità. Calcolo dell'entalpia dell'aria umida e diagrammi psicrometrici. Temperatura di bulbo umido. Scambi di massa e calore fra correnti di aria e acqua. Torri evaporative.

Sistemi Energetici

Introduzione. Ciclo di Carnot. Rendimenti di primo e secondo principio.

Cenni sui cicli motore. Caratteristiche termodinamiche dei cicli Rankine a vapore e Joule-Brayton a gas. Cicili chiusi e aperti. Definizioni di rendimento e prestazioni raggiungibili.

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. Cenni sui cicli ad assorbimento.


Prerequisiti

L’insegnamento presuppone la conoscenza delle nozioni di termodinamica di base impartite dal corso di Fisica I.


Modalità di valutazione

Non sono previste prove in itinere, ma solamente prove finali durante le sessioni d'esame ufficiali secondo il numero di appelli fissato dalla Scuola. La verifica della preparazione conseguita è basata su una prova scritta durante la quale è possibile consultare qualsiasi tipo di materiale cartaceo ma non utilizzare personal computer. 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.

La prova scritta della durata di 2 ore e 30 minuti richiede:

  • la risoluzione di 3 problemi la cui valutazione è basata sullo svolgimento analitico e numerico proposto dallo studente. Questi problemi mirano a verificare la capacità dello studente di:
    • impostare ed eseguire bilanci di massa ed energia su sistemi aperti e cicli termodinamici inversi
    • calcolare le proprietà dei fluidi lungo i processi termodinamici che hanno luogo in macchine a fluido e scambiatori di calore
    • valutare la prestazione di macchine a fluido ed effettuare la scelta delle macchine che consentono di soddisfare determinate condizioni di esercizio
    • valutare aspetti di scambio termico utilizzando i modelli più adatti a descrivere le differenti modalità di trasporto (conduzione, convezione e irraggiamento)
  • 3 domande a risposta chiusa su semplici quesiti teorici o pratici
  • 3 domande a risposta aperta sulle basi teoriche della materia volte all’accertamento dei principi fondamentali di funzionamento e utilizzo delle macchina a fluido e del grado di comprensione degli altri aspetti notevoli dell’insegnamento.

Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaDispense del corso a cura del docente Sito del corso sul portate BEEP
Note:

Il materiale caricato viene continuamente aggiornato e può essere integrato dai testi sottostanti.

Risorsa bibliografica facoltativaM. Moran, H.N. Shapiro, B.R. Munson, D.P. DeWitt, Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria, Editore: McGraw-Hill, Anno edizione: 2011, ISBN: 9788838665509
Risorsa bibliografica facoltativaY.A. Cengel, Termodinamica e trasmissione del calore (4a edizione), Editore: Mc Graw-Hill Education, Anno edizione: 2013, ISBN: 9788838665110
Risorsa bibliografica facoltativaG. Cornetti - F. Millo, Macchine idrauliche, Editore: Il Capitello, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788842675136
Risorsa bibliografica facoltativaDossena V., Ferrari G., Gaetani P.; Montenegro G., Onorati A., Persico G., 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
53:00
79:30
Esercitazione
27:00
40:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 80:00 120:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano

Note Docente
schedaincarico v. 1.6.4 / 1.6.4
Area Servizi ICT
10/07/2020