LA SPEZIA – Lezioni di Macchine a Fluido, Termodinamica, Sistemi Energetici – 3356312301

LA SPEZIA – Lezioni di Macchine a Fluido, Termodinamica, Sistemi Energetici – 3356312301



 Professore con esperienza decennale documentabile di insegnamento presso la scuola pubblica, pluriabilitato all’insegnamento in “Discipline Meccaniche e Tecnologia”, laureato in Ingegneria Meccanica con 110/110 e lode, vincitore del concorso a cattedra del 2012 nella classe di concorso “Discipline meccaniche”, con ottime votazione riportate negli esami di indirizzo (esame di Macchine a fluido conseguito con 30/30 e lode come riscontrabile sul certificato di laurea), offre la propria disponibilità per lezioni di Macchine a fluido, Termodinamica, Sistemi energetici a studenti universitari.
Parte numerica/esercizi e parte concettuale.
Gli allievi finiranno con soddisfazione le lezioni grazie all’intima comprensione degli argomenti trattati.
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Di seguito i principali argomenti trattati per ciascun esame:

********ESAME DI MACCHINE A FLUIDO********

1. FONDAMENTI
Criteri di classificazione delle turbomacchine, volumetriche e dinamiche, radiali e assiali
Bilancio di energia, di entropia, in forma termodinamica e in forma meccanica, trasformazioni politropiche
Principio di conservazione della quantità di moto e del momento della quantità di moto
Scambio di lavoro fluido-macchina, equazione di Eulero
Principio di conservazione della massa,
Grandezze totali e grandezze di ristagno
Triangoli delle velocità, moti relativi
Le perdite e i rendimenti delle turbomacchine
Lavori di recupero e di controrecupero, rendimento isoentropico e rendimento politropico
Compressione interrefrigerata
Esercizi numerici

2. DINAMICA DEL FLUSSO NELLA GIRANTE
Forze agenti su un profilo immerso in una corrente fluida, coefficiente di portanza, di resistenza, di pressione
momento risultante delle forze palari
Effetto del numero finito di pale
Funzionamento a pressione costante e in sovrapressione
Grado di rezione termodinamico e cinematico
Angoli costruttivi e criteri di scelta
Diversi forme di ruota
Esercizi numerici

3. TEORIA DELLA SIMILITUDINE
Analisi dimensionale
Teorema di Buckingham
Gruppi adimensionali
Caratteristiche adimensionali
Similitudine e rendimento
Numero di giri specifico, velocità specifica, numero di giri caratteristico
Forma della girante
Diametro specifico
Diagramma di Cordier e di Baljè
Limiti di validità della similitudine: effetto della viscosità, effetti di scala, effetti della comprimibilità
Esercizi numerici

4. POMPE IDRAULICHE
Portata e prevalenza
Disposizione di impianto
Potenza utile e potenza assorbita
Pompe volumetriche alternative, caratteristiche di funzionamento, casse d’aria, curve caratteristiche
Pompe rotative
Pompe centrifughe, pompe a flusso misto, pompe speciali,
Lavoro di Eulero
Curve caratteristica interna teorica
Effetto di deviazione della corrente
Metodo di Pfleiderer
Perdite per attrito e per urto, stima numerica
Caratteristica reale
stabilità di funzionamento, regolazione della portata,
Perdite e rendimenti
Cavitazione
Energia di riserva
numero caratteristico di aspirazione
altezza di aspirazione
NSPH,R, NSPH,A, altezza massima di aspirazione
Pompe in serie e pompe in parallelo
Progetto di una pompa radiale lenta
Esercizi numerici

5. COMPRESSORI
Compressori alternativi volumetrici: caratteristiche e dimensionamento
Compressori volumetrici rotativi
Turbocompressori: studio della ripartizione della compressione tra distribuitore, girante e diffusore
Compressori centrifughi
compressori assiali
Funzionamento instabile
Esercizi numerici

6. TURBINA AD AZIONE PARZIALIZZATA
Rappresentazione dell’espansione nel piano (h,s)
Rendimento total-to-static e rendimento total-to-total
Studio dei condotti statoriciStudio dei condotti rotorici
Correlazione di Sodeberg
Grado di reazione cinematico e gradi di reazione termodinamico
Turbina ad azioneStadio ad azione ideale e reale
Limiti per gli stadi ad azione
Coefficiente di pressione ottimale con la parzializzazione
Perdite per ventilazione
Progetto completo di uno stadio ad azione ad ammissione parzializzata
Esercizi numerici

7. STADIO A REAZIONE
Analisi dello stadio Parson: grado di reazione, triangoli di velocità, condizione di massimo rendimento
Rendimenti di stadio
Coefficiente di pressione ottimale
Confronto tra stadio ad azione e stadio a reazione
Esercizi numerici

8. SCHIERE DI PROFILI
Profili alari
Serie NACA
Schiere di palettamenti
La deflessione e la deviazione
Prestazione ed incidenza
Diagramma di Weinig
Formula di Carter e Hughes
Criteri di carico
Equlibrio radiale
Criteri di svergolamento
Esercizi numerici

9. UGELLI GEOMETRICI
Moto adiabatico dei fluidi incomprimibili, moto adiabatico dei fluidi comprimibili
Leggi differenziali
Relazioni di Hugoniot
Aree di passaggio
Sonicità del flusso, velocità del suono
Efflusso in ugelli reali
Velocità dell’efflusso
Condizioni critiche e condizioni soniche
Esponente della politropica
Flusso isoentropico in ugelli convergenti-divergenti (ugelli di De Laval)
Progetto degli espansori: dimensionamento, aree di passaggio, divergenti tronco-conici, palettamenti delle turbine, rendimenti
Caso reale: progetto completo di un ugello
Esercizi numerici

10. PROGETTO DELLA GIRANTE
Proporzionamento e configurazione dell’albero e della girante
Il progetto delle paleLa pala radiale a doppia curvatura
Giranti veloci
Esempi costruttivi di giranti
Esercizi numerici

11. TURBOMACCHINE ASSIALI
Concetti fondamentali
Svergolamento delle pale
Costruzione delle pale assiali
Giranti assiali con piccolo o grande passo di palettatura
Esempi di calcolo di macchine assiali
Esercizi numerici

12. TURBOMACCHINE IDRAULICHE
Motrici idrauliche: classificazione, grandezze di impianto: prevalenza e salto motore
Potenze e rendimenti
Altezza massima di scarico di una turbina, TREH
cavitazione negli impianti idraulici
Diagrammi statistici
Gradi di reazione
Velocità periferica
Turbina Pelton: turbine ad azione, dimensionamento e disegno delle pale, dispositivi di alimentazione, diagrammi caratteristici della Pelton
Turbina Francis: architettura, condizioni allo scarico, necessità del tubo diffusore, caratteristica, regolazione
Turbina a elica e turbina Kaplan: condizioni di flusso, la pala rotorica, andamento delle pressioni, portanza e resistenza, teoria profili sottili, stallo, distacco della vena, profili tipici serie Gottinga, portanza e incidenza, schiere, diagramma di Weinig, portanza e deviazione
Esercizi numerici, dimensionamento

********ESAME DI TERMODINAMICA********

1. SISTEMI CHIUSI
Prima legge della termodinamica
Postulato entropico
Trasformazioni reversibili ed irreversibili
Seconda legge per i sistemi isolati
Equazioni di Gibbs
Seconda legge della termodinamica per i sistemi chiusi
Cicli diretti e cicli inversi
Macchina e ciclo di Carnot
Rendimenti di prima e seconda legge
Bilanci di massa, di energia e di entropia: applicazioni ai principali componenti utilizzati nella tecnica
Esercitazioni numeriche

2. TERMODINAMICA DEGLI STATI
Curve caratteristiche e modelli termodinamici
Calori specifici a volume e pressione costante
Piani termodinamici: (p,v), (p,T), (T,s), (h,s)
Punto critico e punto triplo
Gas ideali e reali
Trasformazioni fondamentali
Liquido sottoraffreddato
Vapore e liquido saturo, vapore surriscaldato
Uso del diagramma di Mollier e delle tabelle del vapor d’acqua
Esercitazioni

3. SISTEMI APERTI
Equazione di conservazione della massa
Formulazione della I e II legge della termodinamica
Equazione dell’energia meccanica
Applicazione delle leggi di conservazione ai componenti: condotti, scambiatori, macchina termica e turbine, pompe e compressori, valvole.
Esercitazioni

4. CICLI TERMODINAMICI DI BASE
Ciclo Rankine: Rendimento, lavoro utile, rigenerazione termica, surriscaldamenti ripetuti
Ciclo Joule: rendimento e lavoro utile in funzione del rapporto di compressione, rigenerazione termica, compressione interrefrigerata, ricombustione
Ciclo impianti frigoriferi e pompa di calore: COP, sottoraffreddamento, sottoraffreddamento
Esercitazioni

5. ARIA UMIDA
Legge di Dalton
Entalpia specifica dell’aria secca e del vapor acqueo
Umidità specifica ed umidità relativa
Temperatura di rugiada
Diagramma psicrometrico di Mollier per l’aria umida
Temperature di: saturazione adiabatica, di bulbo asciutto e bulbo bagnato
Trasformazioni fondamentali: semplice raffreddamento e riscaldamento, mesclamento adiabatico, raffreddamento e deumidificazione, riscaldamento e umidificazione, umidificazione adiabatica
Esercitazioni

6. TRASMISSIONE DEL CALORE: La conduzione
Legge della conduzione di Fourier
Equazione fondamentale della trasmissione del calore per conduzione (in forma differenziale)
Condizioni al contorno
Parametri adimensionali: Numeri di Biot, Fourier, temperatura adimensionale
Regime stazionario monodimensionale: simmetria piana e cilindrica con e senza generazione
Resistenza e conduttanza termica
Regime non stazionario monmodimensionale
Metodo delle differenze finite per il calcolo del campo termico
Esercitazioni

7. TRASMISSIONE DEL CALORE:Irraggiamento
Legge dell’irraggiamento di Planck
Legge di Stefan-Boltzmann
Legge di Wien
Definizioni di base: potere emissivo, radiosità, irradiazione
Corpo nero
Caratteristiche radiative delle superfici
Fattori di configurazione
Scambio termico radiativo tra superfici piane parallele e indefinite
Schermi radiativi
Esercitazioni

8. TRASMISSIONE DEL CALORE:Convezione
Equazioni di continuità della massa, quantità di moto
Equazioni di Navier Stockes
Equazione dell’energia
Gruppi adimensionali per la convezione forzata: numeri di Reynolds, Prandtl, Eckert, Nusselt
Strato limite
Gruppi adimensionali per la convezione naturale: numeri di Grashof, Rayleigh
Relazioni empiriche per il calcolo della conduttanza convettiva unitaria media
Applicazioni numeriche mediante software agli elementi finiti (FEM)
Esercitazioni

9. SISTEMI ALETTATI E SCAMBIATORI DI CALORE
Generalità sui sistemi alettati
Formulazione dell’equazione di bilancio termico e sua integrazione
Condizione limite all’impiego per un’aletta dritta
Il rendimento delle alette
Conduttanza globale per parete alettata
Risuluzione di semplici problemi alle differenze finite
Tipologia dei più comuni scambiatori di calore
Media logaritmica delle differenze di temperatura
Scambiatori in equicorrente e controcorrente
Equazione di bilancio termico
Efficienza di uno scambiatore, Net Termal Unit
Esercitazioni

10. ENERGETICA
Concetti di base sull’analisi exergetica
Bilancio di exergia e teorema di Gouy-Stodola
Piano exergia-entalpia
Analisi exergetica di componenti
Analisi exergetica dei principali cicli diretti e inversi
Analisi exergetica di un ciclo operatore a vapore
Esercitazioni

********ESAME DI SISTEMI ENERGETICI********

1. RICHIAMI DI TERMODINAMICA DELLE MACCHINE
Principi di equivalenza
Irreverisibilità
Funzione entropia
Trasformazioni tecniche dei fluidi e piani di rappresentazione termodinamica
Compressione e espansione
Cicli ideali, limite, e reali
Rendimenti dei cicli termodinamici: effetto di molteplicità delle sorgenti, effetto CLAUSIUS, effetto CARNOT,

2. IMPIANTI MOTORE CON TURBINA A VAPORE
Circuito elementare e ciclo HIRN nei piani termodinamici
Condizioni al condensatore
Condizioni al Generatore di vapore, scelta pressione ottimale
Surriscaldameni ripetuti, scelta della pressione ottimale di risurriscaldamento
La rigenerazione termica: rigenerazione coninua, funzione f(h), rigenerazione con uno spillamento, con due e “z” spillamenti
Schema dell’impianto rigenerato: rigeneratori a miscela e rigeneratori a superficie
Esercitazioni numeriche con uso di tabelle del vapor d’acqua e del diagramma di Mollier
Ricerca delle prestazioni mediante software di simulazione numerica

3. IMPIANTI MOTORE TURBINA A GAS
Il circuito elementare e ciclo termodinamico di Joule nei piani termodinamici
Rendimento e lavoro del ciclo ideale, rapporto di compressione
Rendimento e lavoro del ciclo reale
Rigenerazione termica
Ciclo con interrefrigerazione e interriscaldamento
Analisi del ciclo limite con espansione refrigerata
Regolazione delle turbine a gas, turbine ad albero unico e turbine a due assi

4. IMPIANTI A CICLO COMBINATO
Idea dei cicli combinati: pregi e difetti dei cicli IMTV e IMTG
Ciclo a recupero ideale, rendimento di recupero e fattore di recupero
Ciclo a vapore monolivello
Rendimento dei cicli combinati
Profilo di temperatura nella caldaia a recupero, differenze di temperatura nel HRSG (Pitch Point, Approach Point, Subcooling)
Caratteristiche costruttive dell’HRSG: circolazione nell’evaporatore, il degasatore
Assetti dei cicli combinati: a due livelli di pressione senza/con RH, tre livelli di pressione senza/con RH
Esercizi e applicazioni numeriche

5. IMPIANTI DI COGENERAZIONE
Significato della cogenerazione e della trigenerazione
Indice di utilizzazione energetico (EUF), indice di utilizzazione exergetico (ExUF), indice di cogenerazione
Tecnologie disponibili: TG con postcombustione, TG con iniezione di vapore (STIG), turbine a vapore a contropressione, TV a condensazione con spillamenti di vapore, impianto combinato TV + TG, motore a combustione interna, celle a combustibile ad alta emperatura
Analisi della regolazione nel piano calore, elettricità
Riconoscimento normativo della cogenerazione, D.L. num 20 del 08/02/2007, PES, agevolazioni riconosciute
Strategie di regolazione: temico a seguire, elettrico a seguire, confronti numerici

6. IMPIANTI A CICLO INVERSO
Impianti operatori a vapore: introduzione
Finalità, effetto utile, COP per impianto frigorifero, COP per impianto pompa di calore
Influenza dei parametri operativi sul COP
Rappresenatzione del ciclo di lavoro nei piani termodinamici (T,s), (p,h)
Impianti con sotto raffreddamento, con surriscaldamento
Esercizi numerici con impiego di tabelle del vapore o del diagramma del frigorista

7. MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
Classificazione dei motori alternativi
Struttura di un motore alternativo
Ciclo Diesel, ciclo Otto, Ciclo Sabathè, Cicli a 2T e a 4T
Cicli teorici e cicli indicati: differenze, rendimento e lavoro specifico
Catena dei rendimenti, bilancio energetico
Pressione media indicata e pressione media effettiva
Coefficiente di riempiemento
Alimetazione aria nel motore a quattro e a due tempi
Curve caratteristiche: coppia, potenza e consumo specifico, formula della potenza attraverso la carica
Le prestazioni del motore e fattori che le influenzano
Dispersione ciclica
La sovralimentazione: classificazione dei sistemi, la turbosovalimentazione, sovralimentazione nei motori a 2T e 4T, raffreddamento della carica, Accopiamento del sovralimentatore al motore, compressore comandato meccanicamente, risposta al transitorio, sovralimentazione ad onde di pressione
Il downsizing
I combustibili: Esigenze dei motori a combustione interna, Aria necessaria alla combustione, potere calorifico, resitenza alla detonazione, accendibilità, volatilità, numero di Ottani e numero di Cetano
La combustione nel motore Otto: il carburatore, alimentazione ad iniezione di combustiobile, iniezione diretta e indiretta, , Sistemi single point e multi point, iniezione diretta di benzina (motori GDI), La formazione della miscela combustibile-aria, combustione normale, propagazione del fronte di fiamma, combustioni anomale e detonazione, anticipo all’accensione, progetto della camera di combustione, legge di rilascio del calore
La combustione nel motore Diesel: Esigenze del motore Diesel e funzioni dell’apparato d’iniezione, pompe di iniezione, gruppi di iniezione a controllo elettronico (common-rail), Spray di combutibile, il ritardo d’accensione, combustione in fase premiscelata e in fase diffusiva, disegno della camera di combustione, legge di rilascio del calore
Formazione e controllo degli inquinanti: Emissioni allo scarico di un motore Otto, controllo delle emissioni in un motore Otto (interventi sui combustibili, azioni sull’alimentazione, interventi sul processo di combustione, convertitori catalitici), il particolato nell’emissione del motore Diesel (processo di formazione, controllo della formazione, interventi a valle del ciliindro del Diesel)
Sistemi di raffreddamento e di lubrificazione
Esercizi applicativi anche con utilizzo di tabelle dei costruttori di motori

8. GENERATORI DI VAPORE
Classificazione ed evoluzione storica
Caldaie a tubi di fumo: tipo scozzese, per locomotiva, a ritorno di fiamma, a fiamma diretta
Caldaie a tubi d’acqua: caldaie a tubi “field”, caldaie tipo Babcock & Wilcox
Parametri tecnici caratteristici
Calcolo della combustione e analisi fumi: procedimento di calcolo
Dimensionamento del generatore di vapore
Lo scambio termico nei generatori di vapore, calcolo delle perdite, calcolo del rendimento
Circuito vaporizzante: a circolazione naturale, assistita, e forzata
Pecorso aria-fumi, tiraggio naturale
Economizzatore e preriscaldatore d’aria
Circuito del combustibile
Esercizi applicativi

9. SISTEMI IDRAULICI
Classificazione degli impianti idraulici, opere costituenti gli I.I.
Grandezze caratteristiche: salto geotedico, salto motore utile, altezza cinetica, altezza piezomentrica, potenza teorica
Perdite e rendimenti, perdite nella condotta, perdite volumetriche, perdite interne alla macchina, perdite meccaniche,rendimento globale
Turbina Pelton: turbine ad azione, dimensionamento e disegno delle pale, dispositivi di alimentazione, ugello Double,, diagrammi caratteristici della Pelton
Turbina Francis: architettura, condizioni allo scarico, necessità del tubo diffusore, caratteristica, regolazione
Turbina a elica e turbina Kaplan: condizioni di flusso, la pala rotorica, andamento delle pressioni, portanza e resistenza, teoria profili sottili, stallo, distacco della vena, profili tipici serie Gottinga, portanza e incidenza, schiere, diagramma di Weinig, portanza e deviazione

10. IMPIANTI INTEGRATI DI GASSIFICAZIONE DEL CARBONE-CICLO COMBINATO – IGCC
La gassificazione del carbone, reazioni di combustione parziale e di combustione totale, reazione di shift, reazione di metanazione, parametri di influenza
Gassificatori a letto fisso, processo Lurgi
Gassificatori a letto fluido, processi KRW e HTW
Gassificatori a letto trascinato, processi Texaco, Shell
Caratteristiche operative dei gassificatori
Ausiliari d’impianto: ASU, syngas coolers, depuratori AGR, desolforazione, HGCU, Impianti integrati, isola di gassificazione ed isola di potenza, analisi prestazioni

11. CELLE A COMBUSTIBILE
Generalità e criteri di classificazione
Reazioni di ossido-riduzione, semirezione anodica e catodica
Stack di celle elementari
Grandezze caratteristiche, legge di Fick, primo principio della termodinamica per un processo elettrochimico, potenziale di Nerst, densità di corrente
Perdite ohmiche, perdite di attivazione, perdite per concentrazione, influenza della temperatura, influenza della pressione, espressione del rendimento
Tipologie di celle: ad alta temepratura (AFC, PEMFC, PAFC) e a bassa temperatura (MCFC, SOFC)
Analisi di una Fuel Cell polimerica (PEM), funzionamento e curve di prestazione
Analisi di una cella Alcalina (AFC)
Analisi di una cella ad acido fosforico (PAFC)
Analisi di una cella a carbonati fusi (MCFC), reforming interno
Analisi di una cella a ossidi solidi (SOFC), applicazioni veicolari

 

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