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Macchine

12BNINE

A.A. 2021/22

2021/22

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L’insegnamento si propone di analizzare gli aspetti costruttivi, i principi di funzionamento e le prestazioni delle macchine a fluido, turbomacchine e macchine volumetriche, in condizioni di funzionamento nominale e ‘fuori progetto’, dei relativi impianti e la loro regolazione. In particolare, saranno trattati gli impianti di turbine a vapore, a gas, a ciclo combinato gas-vapore, ed i relativi componenti statici e dinamici, le macchine idrauliche con relativi impianti, le trasmissioni idrostatiche ed idrodinamiche, i motori alternativi a combustione interna.

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The subject aims at analysing the constructive aspects, the operation principles and the performance of fluid-flow machines, turbomachinery and volumetric machinery, with the evaluation of performance and off-design operations of both the single fluid-flow machine and the energy system in which it is inserted. In particular, the subject will cover steam and gas power plants, combined-cycle power plants, hydraulic machinery, hydraulic power transmissions and internal combustion engines.

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L’insegnamento parte da complementi di termodinamica e meccanica dei fluidi, esaminati e sottolineati dal punto di vista che più interessa nello studio delle macchine e dei sistemi energetici a fluido. Applicando con sistematicità i principi della termofluidodinamica-energetica ai sistemi di conversione dell’energia ed ai loro componenti, l’insegnamento presenta gli aspetti formativi necessari per consentire allo studente il progetto di massima e/o la scelta di una turbomacchina, di un motore a combustione interna e, più in generale, di un impianto motore oppure operatore, in relazione alla rispettiva utilizzazione. L’insegnamento fornisce non solo le nozioni per affrontare e risolvere autonomamente problematiche specifiche di progetto, di regolazione e controllo delle macchine e dei sistemi energetici, ma anche le conoscenze di base per studiare ed approfondire problematiche di macchine a fluido per impieghi più specialistici.

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Through the systematic application of the principles of thermo-fluid-dynamics to energy conversion systems and their components, the module provides the students with the ability not only to choose engines and engineering-plant solutions in relation to their applications, but also to approach and solve specific design problems by integrating the concepts acquired through the module with advanced notions on related topics. The subject gives the elements to face and individually solve specific problems for the design and control of hydraulic and thermal machines. It also provides the basic knowledge to study and deepen the issues for specialist employment of fluid flow machines.

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Sono necessarie le conoscenze di base delle Macchine a Fluido, nonché quelle derivanti dai Corsi che trattano la Termodinamica, la Termocinetica, la Meccanica Applicata alle Macchine e la Meccanica dei Fluidi.

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The knowledge acquired through the subjects of Hydraulic and Thermal Machines Fundamentals is required, along with the basic notions of Thermodynamics and Thermokinetics, Applied Mechanics and Fluid Mechanics.

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- Leggi di conservazione per processi reali in sistemi a fluido e applicazioni ai motori termici e alle turbomacchine. Interazione entropica e legge di evoluzione dell’energia per sistemi chiusi e aperti. - Combustione a volume costante e a pressione costante. Combustione in flusso stazionario. - Instabilità di funzionamento e regolazione dei turbocompressori di gas. - Compressori alternativi, rotativi a palette e Roots e loro regolazione. - Turbine idrauliche; turbopompe radiali ed assiali; turbomacchine reversibili. - Pompe e motori volumetrici idraulici. - Organizzazione delle turbine a vapore multistadio. - Analisi delle prestazioni ‘fuori progetto’ di una palettatura. Calcolo e rappresentazione del campo di funzionamento di una turbomacchina. Formule semplificate per calcolo delle prestazioni di una turbomacchina; cono dei consumi. - Metodi di regolazione delle turbine a vapore. Campo di regolazione di turbine a contropressione e ad estrazione. - Prestazioni di impianti di turbine a gas. Impianti avanzati di turbine a gas. Impianti a ciclo combinato gas-vapore; generatori di vapore a ricupero ad una e a due pressioni. - Regolazione delle turbine a gas e degli impianti a ciclo combinato gas-vapore. - Motori alternativi a combustione interna: analisi dei rendimenti ideale, limite, interno e organico. Ciclo di lavoro indicato. Coefficiente di riempimento. Influenza delle condizioni ambiente sulle prestazioni. Caratteristica meccanica e regolazione di motori ad accensione comandata e ad accensione per compressione. Sovralimentazione di motori a combustione interna.

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- Principles of energy conversion; thermodynamics of fluid-flow machines and energy systems. - Heating values and their application to thermodynamic analysis of combustion. Constant-volume and constant-pressure combustion in ideal and real processes; combustion in steady-state flows. - Gas compressors: performance characteristics, instability of the working conditions, surge and stall; control in the turbo-compressor. - Displacement compressors: reciprocating piston compressor, sliding vane compressor, Roots blower: constitution, performance and control. - Hydraulic turbines; hydraulic pumps. Fluid-flow similarity and characteristic curves. Control in pumps. Parallel and series connection of dynamic pumps to piping system. Pump cavitation, allowable suction head and permissible suction lift. - Positive displacement pumps and motors; torque hydrostatic transmissions; hydraulic joints and hydrodynamic converters - Organization of multistage steam turbines. - Off-design performance analysis of blades. Evaluation and representation of the operational range of a turboexpander. - Turbine performance map of a turbomachinery and simplified formulas for its evaluation; consumption characteristics. - Control methods for steam turbines. Operational range of back pressure and extraction steam turbines. - Gas turbine plants; analysis of ideal and actual cycles; effects of operating variables on the efficiency of the gas-turbine cycle; schemes to improve cycle efficiency. Combined power plants and cogeneration plants. - Performance characteristics of a gas turbine; control in gas turbine plants and in cogeneration plants. - Internal combustion engines: cycle analysis with ideal gas working fluid; fuel-air cycle analysis; actual engine cycles; valve-timing and valve-lift diagrams; power output, mechanical efficiency, volumetric efficiency and engine operating parameters; correction factors for power and volumetric efficiency; control characteristic and WOT mechanical characteristic for SI and CI engines. Turbocharging the internal combustion engines. - Exhaust emissions of ICEs. Overview of emission formation mechanisms: formation of CO and oxide nitrogen. Regulation framework of ICE emissions.

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Esercitazioni: le esercitazioni in aula consistono nello svolgimento di esercizi e problemi pratici in applicazione dei concetti trattati a lezione, con lo scopo sia di fornire gli ordini di grandezza dei parametri, sia di migliorare il grado di apprendimento. Laboratori: Sono previste delle attività integrative di laboratorio che, per motivi organizzativi, verranno proposte solo agli studenti dell'anno accademico in corso. Le esercitazioni proposte richiedono l’uso di calcolatrici tascabili, del diagramma di Mollier del vapor d’acqua (in forma grafica, che può essere integrato da software commerciale). I testi degli esercizi numerici saranno forniti preliminarmente agli allievi e resi disponibili sul portale WEB dell’insegnamento. Gli studenti utilizzano i testi di riferimento solo per quegli aspetti coperti dall’insegnamento.

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APPLIED LECTURES PROGRAMME The classroom training consists in solving exercises and practical problems by applying the concepts covered in the lectures. The aim of training is to give the students the order of magnitude of the main parameters and to improve their degree of understanding. LABORATORY: guided tour of the Fluid Machinery Laboratory.

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a) Materiale fornito dal docente; b) Testi di riferimento: - A.E. Catania, Complementi di Macchine, Ed. Levrotto & Bella, Torino, 1979. - G. Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 1995. - G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, 2007. c) Appunti disponibili presso il Centro Stampa del Politecnico di Torino: - A.E. Catania, Turbocompressori, ACSV (Appunti dai Corsi Seminariali di Vercelli), Ed. CGVCU (Comitato per la Gestione in Vercelli dei Corsi Universitari), 1990. - A.E. Catania, Compressori volumetrici, ACSV, Ed. CGVCU, 1991. - A.E. Catania, Turbine idrauliche, ACSV, Ed. CGVCU, 1992. - A. Mittica, Turbomacchine idrauliche operatrici, ACV, Ed. CGVCU, 1994.

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a) reference books: - A.E. Catania, Complementi di Macchine, Ed. Levrotto & Bella, Torino, 1979. - G. Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 1995. - G. Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, 2007. b) Notes available c/o il Centro Stampa del Politecnico: - A.E. Catania, Turbocompressori, ACSV (Appunti dai Corsi Seminariali di Vercelli), Ed. CGVCU (Comitato per la Gestione in Vercelli dei Corsi Universitari), 1990. - A.E. Catania, Compressori volumetrici, ACSV, Ed. CGVCU, 1991. - A.E. Catania, Turbine idrauliche, ACSV, Ed. CGVCU, 1992. - A. Mittica, Turbomacchine idrauliche operatrici, ACV, Ed. CGVCU, 1994.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

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L’esame consiste in una prova scritta ed una orale. Prova scritta: si svolge in due ore e venti minuti. Consiste nello svolgimento di due esercizi numerici su impianti o macchine a fluido relativi ad argomenti svolti durante l’insegnamento. La valutazione dei due esercizi contribuisce con lo stesso peso alla valutazione finale dello scritto. E’ possibile utilizzare un formulario trascritto su un foglio A4. L'esame di Macchine incomincia quando il candidato consegna l'elaborato al termine della prova scritta. La soglia di ammissione alla prova orale è di 12/30. Prova orale: consiste in una possibile discussione della prova scritta e nel rispondere a domande su argomenti di teoria trattati a lezione. La durata è variabile in base alle conoscenze dello studente. Il voto di esame è determinato in base alla media dei risultati conseguiti nella prova scritta e nella prova orale. Limitatamente agli studenti iscritti all'anno accademico in corso, lo studente potrà aumentare fino a quattro punti la valutazione finale dell'esame. Tale bonus potrà essere usufruito solo nel caso in cui: a) l'esame scritto-orale sia stato superato con esito positivo (voto superiore a 18/30); b) lo studente sia iscritto all'anno accademico in corso; c) lo studente abbia svolto le attività indicate e consegnato le dovute relazioni nei tempi previsti. Studenti di anni accademici precedenti, anche qualora seguano il corso di Macchine per la prima volta, non potranno usufruire del bonus su indicato.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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The exam consists of a written and an oral test and aims to verify the comprehension of the topics covered in lectures. The written test will last 2 hours and 20 min. There are 2 numerical exercises related to plants or fluid machines studied during the lectures. Each exercise contributes with the same weight to the final evaluation of the written part. It is possible to use a personal formula data sheet (A4 format). The minimum mark of the written test in order to proceed with the oral test is 12/30. The oral test can be a possible discussion of the written test and answers to questions related to topics developed during the lectures. The exam length depends on the student’s knowledge. The final mark is determined as an average of the results obtained for the written part and the oral part.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Prova scritta tramite l'utilizzo di vLAIB e piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus). ;

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L'esame ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto. L'esame consistete in una prova scritta ed in una eventuale prova orale. Prova scritta (180 minuti) La prova scritta si divide in due parti. - Prima parte: è costituita da 30 quesiti a risposta VERO/FALSO. I quesiti si riferiscono agli argomenti trattati durante le lezioni del corso. La valutazione di ogni quesito è: o +1/30 risposta esatta; o -0.5/30 risposta errata; o 0/30 risposta non data. Il massimo punteggio della prima parte è 30/30 Seconda Parte (30/30): Lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. L’esame non sarà superato se i risultati della prima parte e della seconda parte scritta saranno inferiori ai minimi previsti dalla commissione di esame per ciascuna parte corrispondenti a: - 12/30 o inferiore (su giudizio della commissione) relativamente alla prima parte (domande Vero/Falso) ; - 12/30 per la seconda parte (esercizi numerici). Il voto finale dell’esame sarà determinato dalla media pesata tra la prima (1/3) e la seconda parte (2/3). Quando l’esame è concluso in modo regolare, il risultato conseguito è registrato, indipendentemente dal valore ottenuto (inferiore a 18/30 – esame fallito, o uguale/superiore a 18/30 – esame superato). Non è prevista la possibilità di ritirarsi al termine della correzione completa della prova. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è eventualmente concesso dopo l'esame orale. Ritiro dall’esame Lo studente può ritirarsi durante la prova scritta solo dopo un tempo che corrisponde ad almeno il 90% del tempo concesso per l’esame. In tal caso, l’esame non sarà considerato completato. Una volta concluso l’esame on-line, lo studente riceverà l’indicazione del supero o meno della prima parte scritta (domande Vero/Falso). Verrà inoltre pubblicata la soluzione di queste domande in modo da poter effettuare l’autocorrezione nonché la soglia minima attribuita a questa parte per poter accedere alla correzione degli esercizi numerici. Da questo momento, ed entro le 24 ore, lo studente che intende ritirarsi dovrà dare dovuta segnalazione della propria intenzione di ritirarsi attraverso email indirizzata al proprio docente. Trascorso questo tempo, si intende che l’esame verrà regolarmente concluso. Materiale a disposizione durante la prova scritta Gli studenti possono utilizzare una calcolatrice, il diagramma di Mollier, le tabelle del vapore saturo, dei fogli bianchi (massimo tre) per la soluzione numerica degli esercizi ed un formulario, costruito dallo studente su un foglio A4. Esame orale L’esame orale sarà effettuato a discrezione della Commissione giudicatrice. La Commissione selezionerà gli studenti per l’orale in funzione di come è stata svolta la prova scritta e del responso registrato dal Lockdown Browser indipendentemente dal voto. In caso di prova orale, il voto finale sarà determinato con una opportuna media pesata tra la parte scritta e la parte orale.

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Exam: Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Written test via vLAIB using the Exam platform and proctoring tools (Respondus).;

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L'esame ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto L'esame consistete in una prova scritta ed in una eventuale prova orale. Prova scritta:(110 minutes): La prova scritta si divide in due parti. Prima Parte (30/30): Lo studente deve rispondere a 10 domande a risposta multipla riguardante gli argomenti sviluppati durante le lezioni teoriche. Ad ogni domanda possono essere associate più risposte corrette e possono prevedere anche semplici calcoli. La valutazione di ogni singola domanda è fatta in accordo alle seguenti regole: . +3 punti quando tutte e solo le risposte corrette sono selezionate; . 0 punti quando tutte o nessuna risposta viene selezionata; -3 punti quando tutte e solo le risposte sbagliate vengono selezionate; . quando si selezionano sia risposte corrette che sbagliate, la valutazione viene effettuata con i pesi definiti affinché si rispettino i punti precedenti. Seconda Parte (30/30): Lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. Il voto finale dell'esame è valutato come media aritmetica tra i voti d Prima e della seconda Parte. L'esame sarà superato quando i seguenti limiti vengono rispettati: - La prima parte è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - La seconda parte è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - Il voto finale (media della prima e seconda parte) è pari od superiore a 18/30. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è eventualmente concesso dopo l'esame orale. Durante la prova scritta lo studente può utilizzare unicamente una calcolatrice, il diagramma di Mollier per il vapore d'acqua e le tabelle del vapore d'acqua saturo. Inoltre, può utilizzare un formulario, redatto dallo studente stesso, su un unico fogli A4. Esame Orale: L'esame orale è ad assoluta discrezione della Commissione. La selezione degli studenti che devono essere sottoposti ad esame orale è fatta sulla base degli esiti della prova scritta e in base delle indicazioni del sistema di monitoraggio. Il voto finale, in presenza dell'esame orale, viene definito sulla base di un'opportuna media pesata tra esame scritto ed orale.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

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L'esame ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto. L'esame consistete in una prova scritta ed in una eventuale prova orale. Prova scritta (180 minuti) La prova scritta si divide in due parti. - Prima parte: è costituita da 30 quesiti a risposta VERO/FALSO. I quesiti si riferiscono agli argomenti trattati durante le lezioni del corso. La valutazione di ogni quesito è: o +1/30 risposta esatta; o -0.5/30 risposta errata; o 0/30 risposta non data. Il massimo punteggio della prima parte è 30/30 Seconda Parte (30/30): Lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. L’esame non sarà superato se i risultati della prima parte e della seconda parte scritta saranno inferiori ai minimi previsti dalla commissione di esame per ciascuna parte corrispondenti a: - 12/30 o inferiore (su giudizio della commissione) relativamente alla prima parte (domande Vero/Falso) ; - 12/30 per la seconda parte (esercizi numerici). Il voto finale dell’esame sarà determinato dalla media pesata tra la prima (1/3) e la seconda parte (2/3). Quando l’esame è concluso in modo regolare, il risultato conseguito è registrato, indipendentemente dal valore ottenuto (inferiore a 18/30 – esame fallito, o uguale/superiore a 18/30 – esame superato). Non è prevista la possibilità di ritirarsi al termine della correzione completa della prova. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è eventualmente concesso dopo l'esame orale. Ritiro dall’esame Lo studente può ritirarsi durante la prova scritta solo dopo un tempo che corrisponde ad almeno il 90% del tempo concesso per l’esame. In tal caso, l’esame non sarà considerato completato. Una volta concluso l’esame on-line, lo studente riceverà l’indicazione del supero o meno della prima parte scritta (domande Vero/Falso). Verrà inoltre pubblicata la soluzione di queste domande in modo da poter effettuare l’autocorrezione nonché la soglia minima attribuita a questa parte per poter accedere alla correzione degli esercizi numerici. Da questo momento, ed entro le 24 ore, lo studente che intende ritirarsi dovrà dare dovuta segnalazione della propria intenzione di ritirarsi attraverso email indirizzata al proprio docente. Trascorso questo tempo, si intende che l’esame verrà regolarmente concluso. Materiale a disposizione durante la prova scritta Gli studenti possono utilizzare una calcolatrice, il diagramma di Mollier, le tabelle del vapore saturo, dei fogli bianchi (massimo tre) per la soluzione numerica degli esercizi ed un formulario, costruito dallo studente su un foglio A4. Esame orale L’esame orale sarà effettuato a discrezione della Commissione giudicatrice. La Commissione selezionerà gli studenti per l’orale in funzione di come è stata svolta la prova scritta e del responso registrato dal Lockdown Browser indipendentemente dal voto. In caso di prova orale, il voto finale sarà determinato con una opportuna media pesata tra la parte scritta e la parte orale.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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L'esame ha l'obiettivo di verificare che lo studente abbia acquisito la capacità di selezionare una macchina a fluido o una tipologia di impianto di conversione energetica, valutarne le prestazioni in condizioni di progetto e di fuori progetto L'esame consistete in una prova scritta ed in una prova orale. Prova scritta:(130 minuti - 30/30): Lo studente deve risolvere 2 esercizi numerici riguardanti gli argomenti discussi durante le esercitazioni in aula. Il punteggio assegnato ad ogni esercizio è pari a 15/30. Durante la prova scritta lo studente può utilizzare unicamente una calcolatrice, il diagramma di Mollier per il vapore d'acqua e le tabelle del vapore d'acqua saturo. Inoltre, può utilizzare un formulario, redatto dallo studente stesso, su un unico fogli A4. Esame Orale: L'esame orale è obbligatorio e può essere sostenuto solo quando la prova scritta ha avuto un esito pari o superiore a 12/30. Gli argomenti su cui l'esame orale si concentra si riferiscono a tutte le tematiche discusse durante le lezioni teoriche e le esercitazioni. Il voto finale dell'esame è valutato come media aritmetica tra i voti della prova scritta e della prova orale. L'esame è superato quando: - La prova scritta è stat superata con un voto pari o superiore a 12/30; - La prova orale è stata superata con un voto pari o superiore a 12/30; - Il voto finale (media di prova scritta e orale) è pari od superiore a 18/30. Il voto massimo è pari a 30/30. Il superamento con Lode è concesso quando lo studente ha superato entrambe le prove, scritte ed orale, con voto pari a 30/30.

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