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PORTALE DELLA DIDATTICA

Macchine a fluido

02GKEMB, 02GKELS, 02GKEMW

A.A. 2018/19

2018/19

Macchine a fluido

L'insegnamento intende fornire una visione panoramica nel campo delle Macchine a Fluido, articolando gli argomenti nel modo seguente: .1) introduzione (richiami di termodinamica, nozioni di fluidodinamica), .2) componenti (turbine, compressori, pompe, motori alternativi), .3) impianti (aperti e chiusi, a vapore e a gas). Con questi elementi a disposizione si possono descrivere e comprendere le diverse modalità di realizzazione dei principali cicli termodinamici.

Macchine a fluido

The course provides the students with a wide overview on the most important Fluid Machine topics. The subject is organized as follows: .1) introduction (basics of thermodynamics and fluid-dynamics), .2) components (turbines, compressors, pumps, reciprocating engines), .3) power-plants (open and closed, steam and gas). Thanks to this knowledge, a large variety of solutions can be described and understood, which make the main thermodynamic cycles run.

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1) Conoscenza di base delle macchine e degli impianti dal punto di vista della loro costituzione e dei relativi principi di funzionamento. .2) Dimestichezza con le principali grandezze fisiche, le unità di misura, i fattori di conversione, gli ordini di grandezza delle variabili in campo macchinistico. .3) Capacità di applicare la teoria per affrontare alcuni problemi tipici, anche risolvendo quesiti specifici mediante calcoli appropriati. .4) Acquisizione di un metodo ("procedimento-modello" o "procedura-standard") per sviluppare i ragionamenti macchinistici. .5) Cultura minima necessaria per comprendere le informazioni condivise dagli operatori del settore (costruttori,fornitori,clienti,venditori,ecc.).

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1) Basic knowledge of components and systems, as far as their design features and operating principle are concerned. .2) Acquaintance with the main physical quantities, measurement units, conversion factors, order of magnitude of numerical values in the field of fluid-machines. .3) Ability to apply theory for facing some typical problems, also by answering specific questions with the help of suitable calculations. .4) Acquisition of a reference method ("model-procedure" or "standard-procedure") for developing reasoning about fluid-machines. .5) Minimum culture necessary for understanding information sheared among the operators (manufacturers,providers,customers,sellers,etc.).

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Alcune nozioni fondamentali acquisite da corsi precedenti, che trattano argomenti di: matematica, fisica, meccanica applicata, termodinamica, termocinetica, idraulica e meccanica dei fluidi.

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Some preliminary knowledge coming from courses dealing with topics of: mathematics, physics, applied mechanics, thermodynamics, heat-transfer, hydraulics and fluid-mechanics.

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Richiami di Termodinamica - Primo principio: lagrangiano, euleriano. Moto permanente, ciclico, vario. Secondo principio. Combustione e potere calorifico. Diagrammi termodinamici e rassegna dei cicli principali. Nozioni di Fluidodinamica - Il moto dei fluidi nelle condotte. Condotti sagomati semplicemente convergenti e convergenti-divergenti. Turbomacchine – Moto assoluto e moto relativo. Grado di reazione. Turbine a vapore e a gas – Monostadio assiale a reazione, ad azione, ruota Curtis, altri tipi. Turbocompressori di gas – Monostadio centrifugo a flusso misto, assiale pluristadio, radiale centrifugo, altri tipi. Caratteristiche manometriche e mappa dei rendimenti. Compressori volumetrici – Alternativi, rotativi, altri tipi. Macchine idrauliche – Turbomotrici: Pelton, Francis, Elica e Kaplan, altri tipi. Turbopompe: assiali, radiali, miste, monostadio e pluristadio. Prevalenza, portata, rendimento, potenza. Macchine idrauliche volumetriche. Motori alternativi a combustione interna – Cicli ideali di riferimento: Otto, Diesel, Sabathè. Motori ad accensione comandata, a benzina e a gas, e motori ad accensione per compressione. Caratteristica meccanica e curva di regolazione. Impianti a vapore – Diagramma di Mollier del vapore d’acqua. Dal ciclo di Carnot al ciclo Rankine. Compressione mediante pompe idrauliche. Generatore di vapore (caldaia) e condensatore. Surriscaldamento e ciclo Hirn. Surriscaldamenti ripetuti. Spillamenti rigenerativi (scambiatori a superficie e a miscelazione). Cogenerazione: recupero termico parziale e totale. Cenni di regolazione. Impianti a gas – Ciclo Joule o di Brayton (aperto e chiuso). Impianto semplice, monoalbero. Portata in massa, lavoro, rendimento, potenza. Prestazioni in funzione del rapporto manometrico di compressione e della temperatura di combustione. Compressione inter-refrigerata, ri-combustione, rigenerazione. Cenni di regolazione. Esempi di: Impianto con più alberi, Impianto a cicli combinati, Impianto idraulico ad accumulo.

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Basic Thermodynamics – First law: according to Lagrange and Euler. Operating conditions: steady, unsteady, periodic. Second law. Combustion and heating value. Thermodynamic diagrams and cycles review. Basic Fluid-dynamics – Flow within pipes. Converging and converging-diverging nozzles. Turbomachines – Absolute vs relative motion. Degree of reaction. Gas and steam turbines – reaction and impulse / axial / single-stage, Curtis wheel, others. Turbo-compressors – hybrid-flow / centrifugal / single-stage, axial / multi-stage, radial, others. Manometric characteristics and efficiency map. Positive displacement compressors – Reciprocating, rotary, others. Hydraulic Machines – Turbo-engines: Pelton, Francis, propeller and Kaplan, others. Turbo-pumps: axial, radial, hybrid-flow, single- and multi-stage. Head, flowrate, efficiency, power. Positive displacement hydraulic machines. Reciprocating Internal Combustion Engines – Main ideal cycles: Otto, Diesel, Sabathè. Spark-Ignition engines, gasoline and gas fed, and compression-ignition engines. Mechanic characteristic and constant-speed part-load performance curve. Steam power-plants – Mollier diagram of water vapor. From Carnot cycle to Rankine cycle. Compression stage by means of hydraulic pumps. Steam generator (boiler) and condenser. Over-heating and Hirn cycle. Repeated over-heating. Regeneration steam-bleeding practice (surface and mixing heat-exchangers). Co-generation: partial and total heat-recovery. Hints of off-design running. Gas power-plants – Joule or Brayton cycle. Basic, single-shaft power-plant. Mass flowrate, work, efficiency, power. Performance as a function of manometric compression ratio and combustion temperature. Inter-cooled multi-stage compression, re-heating, regeneration. Hints of off-design running. Examples of: Multiple-shaft power plant, Combined-cycle power-plant, Accumulation hydraulic power-station.

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Ogni gruppo di lezioni inerente un determinato argomento viene subito seguito da una sessione di esercizi svolti in aula, corredata di temi assegnati per l’allenamento a casa. Gli esercizi consentono di applicare i principi teorici, usare le unità di misura necessarie, verificare gli ordini di grandezza dei valori numerici. Essi permettono anche di arricchire le informazioni e capire meglio gli aspetti teorici esposti a lezione.

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Each group of lectures dealing with a specific topic is immediately followed by a session of exercises: some are solved together, some are supplied for homework. The exercises give chance to practice the theoretical principles, the measurement units, the order of magnitude of numerical values. They also provide further information about topics and help to understand better the theoretical features of lectures.

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Sul Portale della Didattica sono disponibili alcune dispense relative alla parte teorica del corso, insieme ai testi degli esercizi utilizzati (sia quelli svolti in aula, sia quelli assegnati per casa). Testi consigliati per approfondimenti: G. Cornetti, F. Millo, Macchine Termiche, Ed. Il Capitello, 2007 G. Cornetti, Macchine Idrauliche, Ed. Il Capitello, 2006 A.E. Catania: Complementi di macchine. Ed. Levrotto & Bella, 1979 G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Ed Esculapio, 1997

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Some notes concerning the lectures are available on the course’s web-site, along with the text of the utilized exercises (both those explained after lectures, and those supplied for self-training). Reference textbooks for additional knowledge: G. Cornetti, F. Millo, Macchine Termiche, Ed. Il Capitello, 2007 G. Cornetti, Macchine Idrauliche, Ed. Il Capitello, 2006 A.E. Catania: Complementi di macchine. Ed. Levrotto & Bella, 1979 G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Ed Esculapio, 1997

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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L’esame consiste in una prova scritta, che richiede competenze sia di teoria che di calcolo. La durata dell’esame è di 2 ore. In generale vengono assegnati 2 esercizi: uno sulla parte "componenti", uno sulla parte "impianti". Lo studente decide quale esercizio affrontare per primo e quanto tempo dedicare a ciascuno. E' possibile consultare libri e appunti durante la prova. Lo studente è valutato in base alle capacità mostrate di: .1) padroneggiare le sue conoscenze, integrando teoria e pratica, .2) motivare le scelte fatte (formule, ipotesi, assunzioni, semplificazioni …), .3) commentare e valutare criticamente (se necessario) i risultati ottenuti, .4) esporre il procedimento seguito, in modo chiaro, sintetico e coerente. Per passare l’esame bisogna raggiungere o superare la sufficienza (18/30) in ciascuno dei due esercizi.

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Exam: Written test;

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The exam consists of a written test, which require both theoretical and calculation skills. The test duration is 2 hours. The test is usually made of 2 exercises: one dealing with the "components", one dealing with the "power-plants". The student decides which exercise to face firstly and how much time employ for each exercise. Books and notes can be used during the test. The student is required to show ability in: .1) mastering his knowledge, by means of theory-and-practice integration, .2) giving explanations about his choices (formulas, hypothesis, assumptions, simplifications, etc.), .3) commenting and criticizing (if necessary) the results obtained, .4) displaying the followed procedure in a plain, synthetic and consistent way. To pass the exam it is necessary reaching or over-reaching the minimum score (18/30) in each individual exercise.

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