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PORTALE DELLA DIDATTICA

Fundamentals of thermal and hydraulic machines and of fluid power

01NIHMN

A.A. 2019/20

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino

Borrow

04ERAMN 09IJIMN

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 70
Esercitazioni in aula 27
Esercitazioni in laboratorio 3
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
D'Ambrosio Stefano
Fondamenti di macchine - Corso 2
Professore Associato ING-IND/08 70 0 0 0 8
Ferrari Alessandro
Fondamenti di macchine - Corso 1
Professore Associato ING-IND/08 70 0 24 0 5
Misul Daniela Anna
Fondamenti di macchine - Corso 3
Ricercatore ING-IND/08 70 27 0 0 5
D'Ambrosio Stefano - Corso 2 Professore Associato ING-IND/08 70 0 0 0 8
Ferrari Alessandro - Corso 1 Professore Associato ING-IND/08 70 0 24 0 5
Misul Daniela Anna - Corso 3 Ricercatore ING-IND/08 70 27 0 0 5
D'Ambrosio Stefano
Oleodinamica - Corso 2
Professore Associato ING-IND/08 70 0 0 0 8
Ferrari Alessandro
Oleodinamica - Corso 1
Professore Associato ING-IND/08 70 0 24 0 5
Misul Daniela Anna
Oleodinamica - Corso 3
Ricercatore ING-IND/08 70 27 0 0 5
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/08
ING-IND/08
3
7
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
Ingegneria energetica
Ingegneria meccanica
2019/20
Vengono trattati gli aspetti di carattere termodinamico, fluidodinamico e costruttivo, necessari per una corretta comprensione e valutazione quantitativa del funzionamento delle macchine termiche ed idrauliche, con particolare riferimento alle turbomacchine e agli impianti nei quali esse sono inserite. Vengono inoltre esaminati i componenti oleodinamici in termini di simbologia grafica, indici di prestazione e caratteristiche operative.
The course is composed of two modules, the first of which concerns with the fundamentals of thermal and hydraulic machines, whereas the second one deals with fluid-power fundamentals. The first module aims at supplying the basic aspects of thermal and hydraulic machines, with specific reference to: constructive aspects, operation principles, thermodynamic and fluid-dynamic laws, needed for a correct evaluation of performance and off-design operations of the single machine and of the energy system in which it is integrated. The second module presents and analyzes fluid power components and basic systems, in terms of their symbolic representation, layout, constructive and operational features. For those who will attend the second level degree courses, the acquired notions and skills will constitute also the base for subsequent mastery through the specializing courses.
Le competenze acquisite consentiranno al futuro ingegnere di sviluppare le valutazioni quantitative e i calcoli necessari ad assumere le decisioni scientificamente, tecnicamente ed economicamente più corrette per le macchine e per gli impianti in cui queste sono inserite. Lo studente conoscerà i principi fisici di base ed i fenomeni fluidodinamici e termodinamici di maggior interesse per le macchine a fluido termiche ed idrauliche e sarà in grado di identificare i principali componenti oleodinamici, interpretando correttamente e criticamente il loro ruolo e funzionamento in un sistema motore od operatore, in relazione al suo uso finale. Ne deriverà un esperto in grado di operare le scelte più opportune sia per gli impianti sia per le macchine che li compongono sotto diversi aspetti: funzionale, energetico, economico ed ambientale.
Through the systematic application of the thermo-fluid-dynamics principles to energy systems and their components, the module provides the students with the ability to choose turbomachines, engines, fluid-power systems and engineering-plant solutions in relation to their applications.
Sono propedeutiche le conoscenze di base di Analisi Matematica, Geometria, Fisica, Termodinamica, Meccanica dei Fluidi, Meccanica maturate in insegnamenti precedenti del corso di laurea.
The basic knowledge achieved in Thermodynamics, Thermo-kinetics, Applied Mechanics and Fluid Mechanics is required, with the awareness of concepts covered in Physics and 3D modeling.
• Generalità e classificazione delle machine: macchine idrauliche e termiche; macchine motrici ed operatrici; macchine volumetriche e turbomacchine. • Fondamenti di termodinamica applicata alle macchine: leggi di conservazione della massa e dell'energia in forma lagrangiana ed euleriana; entropia e leggi di evoluzione dell'energia; legge di conservazione della quantità di moto e del momento della quantità di moto per la valutazione del lavoro tecnico di una turbomacchina. Formulazione integrale, unidimensionale e locale delle leggi di conservazione. • Triangoli delle velocità per lo studio unidimensionale di una turbomacchina. Flussi bidimensionali in profili in schiera e meccanismo di generazione della coppia nelle palettature. • Flussi compressibili unidimensionali. Calcolo di ugelli e diffusori in condizioni nominali di funzionamento, analisi del loro comportamento in condizioni diverse da quelle di progetto. Flussi di Fanno e di Rayleigh in condotti a sezione costante. Caratterizzazione del choking. • Impianti di turbina a vapore. Ciclo Rankine-Hirn. Mezzi per aumentare il rendimento del ciclo a vapore. Valutazione delle prestazioni degli impianti a ciclo semplice, rigenerativi e cogenerativi. • Impianti di turbina a gas. Ciclo Joule-Brayton. Valutazione delle prestazioni degli impianti a ciclo semplice reale. Cenni alle metodologie utilizzate per aumentare il rendimento ed il lavoro utile. Impianti di turbina a gas cogenerativi e impianti a ciclo combinato gas-vapore. • Teoria della similitudine fluidodinamica e sua applicazione alle turbomacchine. • Turbomacchine. Classificazione e principi generali di funzionamento. − Turbine. Perdite fluidodinamiche in uno stadio di turbina. Rendimento total-to-total e total-to-static di uno stadio di turbina. Rendimento di una turbina multistadio e fattore di recupero. Studio unidimensionale di uno stadio di turbina. Grado di reazione. − Turbocompressori. Classificazione e principi di funzionamento. Lavoro di compressione; rendimento isentropico ed idraulico. Compressore centrifugo e compressore assiale, triangoli delle velocità e determinazione della caratteristica manometrica. Cenni alle instabilità di funzionamento dei turbocompressori. − Turbopompe. Definizione delle grandezze caratteristiche di funzionamento e dei rendimenti delle macchine idrauliche. Curve caratteristiche delle turbopompe, caratterizzazione del funzionamento in condizioni di similitudine fluidodinamica. • Oleodinamica. Schemi simbologici equivalenti secondo la normativa ISO 1219-1. Modello del flusso incompressibile, equazioni di base per i flussi laminari e per la lubrificazione, coefficiente di efflusso. Nozioni di propagazione ondosa. Gruppi di alimentazione. Principi di funzionamento delle valvole per il controllo della direzione, per il controllo della pressione e per il controllo della portata. Teoria dei blocchi funzionali. Cenni a pompe e ad attuatori.
Fundamental of thermal and hydraulic machines • Introduction to fluid machines. Thermodynamics and fluid-dynamics applied to fluid machines. Velocity diagrams, Euler work equation. • 1D theory of compressible flows: nozzles and diffusers. Design of a nozzle, off-design performance. Fanno and Rayleigh flows. • Steam power plants. Co-generative steam plants. • 1-D analysis of turbine stages. • Axial and radial turbo-compressors. • Gas turbine plants. Combined vapor-gas turbine plants. • Hydraulic pumps. Fundamental of fluid power • Introduction to fluid power: advantages and drawbacks. • ISO 1219-1 regulation: nomenclature and symbols. • Operating principles for directional control valves, pressure control valves and flow control valves. • Function blocks. • Flow generating groups. • Hydraulic pumps and motors. • Valves architecture.
Oltre alle lezioni, l'insegnamento prevede esercitazioni svolte in aula ed in laboratorio, atte ad approfondire tramite esercizi i concetti illustrati durante le lezioni.
The course is made up of lectures and applied lectures. The applied lectures consist of exercises meant to further deepen the understanding of the concepts dealt with within the lectures.
• A. Ferrari, “Fondamenti di termofluidodinamica per le macchine”, Città Studi, De Agostini, 2019. • A. E. Catania, "Complementi di Macchine", Levrotto & Bella, 1979. Fotocopie fornite dai docenti (materiale non disponibile in commercio) tratte da: • A. E. Catania, "Turbocompressori", Appunti dai corsi seminariali di Vercelli, 1990. • A Mittica, "Turbomacchine idrauliche operatrici", Appunti dai corsi seminariali di Vercelli, 1991. • A. Capetti, "Motori termici", UTET, 1967. Per ulteriori approfondimenti di alcuni argomenti si può fare riferimento a: • G. Lozza, “Turbine a gas e cicli combinati”, Terza Edizione, Società Editrice Esculapio, 2016. • V. Dossena, G. Ferrari, P. Gaetani, G. Montenegro, A. Onorati, G. Persico, “Macchine a fluido”, Città Studi Edizioni, 2015. • N. Nervegna, “Oleodinamica e Pneumatica”, Politeko, ed. 2003. • Fotocopie fornite dai docenti (materiale non disponibile in commercio).
References • M.J. Moran, H.N. Shapiro, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, 5th ed., John Wiley & Sons. • S.L. Dixon, C.A. Hall, “Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery”, 6th ed., Butterworth-Heinemann, Elsevier. • Lecture Slides • Exercise book (optional): C. Dongiovanni, D. Misul, “Exercises on Thermal and Hydraulic Machines”, CLUT Eds, Torino. Required material Mollier diagram for steam (“Diagramma entalpico per il vapor d’acqua”), CLUT Eds. To be procured by the student. Saturation lines tables for steam. Provided by the teacher.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
L’esame si prefigge di accertare la capacità di analizzare quantitativamente le prestazioni delle macchine a fluido termiche e idrauliche (includendo i componenti oleodinamici) e la conoscenza dei relativi fenomeni fluidodinamici e termodinamici di maggior interesse. Verranno inoltre valutate le capacità di effettuare le scelte più opportune, sia per gli impianti sia per le macchine che li compongono, sotto i diversi aspetti (tecnici ed economici). La prenotazione all’esame tramite il portale della didattica è obbligatoria. L’esame consta di una parte scritta e di una parte orale. Quest’ultima parte può essere obbligatoria o facoltativa, in base al punteggio della parte scritta. Esame scritto (durata: 3-4 ore) L’esame scritto è suddiviso in due parti: - La prima parte (durata: 45-60 minuti) consta di 17/20 domande a scelta multipla. Questa parte sarà relativa principalmente agli argomenti di teoria del corso, tuttavia potrebbero essere presenti alcune domande che richiedono veloci calcoli. Per ogni risposta corretta è assegnato 1 punto, per ogni risposta non data sono assegnati 0 punti, per ogni risposta errata sono assegnati da -0.25 a -0.5 punti. - La seconda parte (durata: 2.5-3 ore), consta di esercizi che presentano difficoltà analoghe a quelle degli esercizi proposti durante le esercitazioni svolte in aula. Il voto finale dell’esame scritto risulta determinato da una media delle valutazioni delle due parti. L’esame risulta non superato se il voto finale dell’esame scritto è inferiore a 18/30. Durante l’esame scritto gli studenti possono utilizzare esclusivamente una calcolatrice scientifica, il diagramma entalpico di Mollier e le tabelle delle curve limiti. Un formulario verrà fornito dai docenti per la seconda parte dell’esame scritto. L’uso di appunti, libri, telefoni cellulari o altri strumenti elettronici di qualsiasi tipo è assolutamente proibito. Allo studente trovato in possesso di materiale non autorizzato o strumenti elettronici (siano essi accesi, spenti o in modalità offline) verrà immediatamente annullato il compito e sarà deferito alla commissione disciplinare del Politecnico. Il candidato può ritirarsi dall’esame scritto in qualsiasi momento. In tal caso l’esame non verrà corretto e la bocciatura non verrà registrata. Una volta che l’esame scritto viene corretto, è ancora possibile ritirarsi, ma sarà registrata la bocciatura. Esame orale L'esame orale è facoltativo. Nel caso in cui il voto dell'esame scritto sia compreso tra 18 e 26, lo studente può decidere di confermare come voto finale il voto dello scritto senza sostenere l’orale. Nel caso in cui il voto dell'esame scritto sia compreso tra 27 e 30, lo studente può decidere di accettare il voto finale di 26/30 senza sostenere l’orale. In caso di esame orale, il voto finale sarà una media pesata tra l'esame scritto e l'esame orale.
Exam: written test; optional oral exam;
The exam is aimed at evaluating the student attitude to analyze the performance of thermal and hydraulic machines (including fluid power components) through the application of the thermo-fluid-dynamics principles to energy systems. Furthermore, the exam will test the ability to choose turbomachines, engines, fluid-power systems and engineering-plant solutions in relation to their applications. The exam booking on the web portal, within the deadline, is mandatory. The exam is made up of a written test and of an oral test, which may be either optional or mandatory depending on the score of the written test. Written test (duration: about 3-4 h) The written test is made up of two parts: - The first part (duration: 45-60 minutes) is constituted by 17/20 multiple choice questions (basically 10 questions will deal with the Fundamental of Thermal and Hydraulic Machines related topics, 5 questions with the Fundamental of Fluid Power related topics). This part will mainly deal with the theoretical topics of the course, however some questions may require the solution of quick numerical exercises. Each question with correct answer is assigned 1 points, each question without answer is assigned 0 points, each question with a wrong answer is assigned from -0.25 points to -0.5 points. - In the second part (duration: 2.5-3h), the student is asked to solve exercises featuring a difficulty level similar to that of the exercises proposed during the applied lectures. The final score of the written test is a weighted average of the scores achieved for the two parts. During the written test, the students are only allowed to use a scientific calculator, the steam Mollier chart and the saturation tables. The use of notes, books, notebooks, smart phones, cell phones or any other electronic device is strictly forbidden. Should any candidate use any un-authorized electronic devices (regardless of whether it is switched on or off, online or offline), he/she will be immediately withdrawn from the exam.. The candidate can withdraw from the written test at any time up to the hand-in time. In this case, the exam failure will not be registered. Once the written test has been corrected, the exam will be registered with either a positive or negative result. Any candidate who is not satisfied with the written test result can ask to be failed before the oral start. Oral test The oral test is optional. If the mark of the written exam is between 18/30 and 26/30 (the score of the written test will be registered), the final mark of the exam is equal to the mark of the written part. If the average mark of the written test is higher than 26/30, a final mark of 26/30 will be registered if the student does not sit for the oral test. In case the student sits for the oral test, the overall mark is the weighted average between the written and the oral test scores.


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