Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere: mediante le lezioni frontali tenute durante il corso, lo studente acquisirà le conoscenze necessarie a comprendere il funzionamento delle macchine a fluido, delle caldaie e dei motori a combustione interna.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Mediante le esercitazioni svolte in aula relativamente ad alcuni argomenti del programma, gli studenti apprendono come applicare le conoscenze acquisite nonché l’approccio da seguire nella progettazione delle macchine presentate.
Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di comprendere e valutare in maniera critica il funzionamento delle macchine a fluido studiate, dovrà essere in grado di valutare quale macchina è più adatta per l’applicazione richiesta.
Capacità comunicative
Tramite le lezioni frontali lo studente acquisisce il lessico specifico inerente alle macchine a fluido. Ci si attende che, al termine del corso, lo studente sia in grado di trasmettere, in forma orale e in forma scritta, i principali contenuti del corso, quali idee, problematiche ingegneristiche e relative soluzioni.
Capacità di apprendimento
Lo studente che abbia frequentato il corso sarà in grado di approfondire le proprie conoscenze attraverso la consultazione autonoma di testi specialistici, riviste scientifiche o divulgative, anche al di fuori degli argomenti trattati strettamente a lezione, al fine di affrontare efficacemente l’inserimento nel mondo del lavoro o intraprendere percorsi di formazione successivi.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso ha l’obiettivo di fornire agli studenti le seguenti conoscenze:
i concetti fondamentali e le relative equazioni inerenti al moto dei fluidi comprimibili ed incomprimibili;
l’architettura, le caratteristiche funzionali e prestazionali delle principali macchine a fluido operatrici volumetriche e dinamiche;
l’architettura e le principali caratteristiche delle caldaie;
le caratteristiche funzionali e prestazionali dei motori a combustione interna destinati alla trazione.
Programma esteso
Classificazione degli impianti di potenza. Definizioni di macchina, stadio, corpo, flusso, gruppo. Equazioni fondamentali. Applicazione eq. quantita di moto e energia . Equazione di Eulero per i rotori delle turbomacchine, entalpia tot rotorica. Forze di flusso . Equazione di De St Venant. Equazione di Hugoniot, ugelli e diffusori. Equazione della portata negli ugelli convergenti . Ugello de Laval. Il cono delle portate. Eq. dell'orifizio per fluidi incomprimibili. Eq. di stato per fluidi incomprimibili - modulo di comprimibilità. Tipi di macchine operatrici, campi di applicazione, scelta, diagrammi a mosaico. Definizione di prevalenza. Compressori alternativi: generalità, descrizione, aspetti meccanici e costruttivi, interrefrigerazione, rapporto di compressione limite, curve caratteristiche, funzionamento reale, regolazione, suddivisione in stadi, potenza richiesta. Compressori volumetrici rotativi, tipi e funzionamento, teoria dei trasferitori. Compressori volumetrici rotativi, teoria delle macchine con compressione interna, caratteristica interna. Pompe alternative: descrizione, funzionamento, regolarizzazione della portata, casse d'aria Pompe volumetriche per oleodinamica: tipi, descrizione, curve caratteristiche. La similitudine applicata alle macchine a fluido. Teoria euleriana dello stadio di turbo-operatrice radiale. Curve caratteristiche euleriane, e per numero finito di pale. Curve caratteristiche reali per macchine centrifughe. Il diffusore nelle turbo-operatrici radiali, NPSH, adescamento delle pompe. Spinta radiale. Caratteristica delle pompe sui 4 quadranti. Pompe in serie e parallelo. Ventilatori , effetti della comprimibilità, rappresentazione del processo sul piano entalpico: macchine senza diffusore. Descrizione delle turboperatrici assiali. Teoria euleriana delle turbo-operatrici assiali, grado di reazione. Funzionamento reale dei compressori assiali; Funzionamento anomalo dei turbocompressori, stallo. Pompaggio per i turbocompressori. Pompe speciali: ad anello liquido, peristaltiche, a membrana. Eiettori.Sistemi di miscelamento: carburatore. Richiami di combustione: rapporto aria/combustibile esteso agli ossigenati. Dissociazione ad alta temperatura, equilibri chimici. Caldaie: classificazione, rendimento, architettura e temp. di combustione . Caldaie tempo di combustione particelle solide. Modello evaporazione. Circolazione dell'acqua nelle caldaie. Circolazione dei fumi, tiraggio. Impianti idraulici: definizioni; criteri di dimensionamento degli impianti idraulici a bacino; dimensionamento degli impianti idraulici ad acqua fluente. Turbina Pelton e Banki. Cenni alle Turbine a reazione (Francis e Kaplan). Diagramma di carico e ripartizione nelle reti elettriche.Lo pseudociclo limite dei MCI. Temperatura fine espansione e Temperatura gas di scarico. Pressione media effettiva e dipendenza dai parametri motoristici. Motori a 2 tempi, lavaggio, diagramma polare della distribuzione, diagramma indicato, pressione media indicata. Diagramma aperto, lavoro indicato e pmi per 4T (lorda e netta). Bilancio termico. Ricambio della carica. Le valvole a fungo, geometria, coefficienti di efflusso. Sistemi di aspirazione e scarico. Combustione reale nei motori accenione comandata (regolare e anomale). Combustione reale nei motori Diesel, proprietà dei combustibili per MCI, NO, NC. Sovralimentazione - accoppiamento con compressore volumetrico e turbo compressore. Sistemi di iniezione diesel e benzina. Curve caratteristiche. Accoppiamento del motore all’utilizzatore. Curva di carico strada . Analysis criteria for fluid machinery: St. Venant equation, Hugoniot equation, orifice equation, bulk modulus, high temperature dissociation, adiabatic temperature of combustion products, flame structure, similarity in the study of fluid machinery.
Reciprocating compressors, clearance volume, staging, intercooling; rotary (displacement) compressors, internal and backflow compression; reciprocating and rotary pumps, pressure ripples and dampers. Centrifugal pumps, theoretical and actual characteristics, radial thrust, multistage pumps, cavitation, priming, peripheral pumps, series and parallel. Turbo-compressors, stall, surge, multistage compressor characteristic, operating field, choking, rotating stall. Free leaks pumps; ejector.
Fundamentals of thermal plants, cycles and pseudo-cycles, 2nd law, quality number for direct cycles, fuel types and their properties;
Sizing of hydro-power plants. hydraulic turbines, types and their vector-diagrams, exhaust diffuser, cavitation.
Combined cycle power plants: topper vs bottomer power ratio, dual-pressure HRSGs. Combined heat and power plants (CHP).
Fundamentals of internal combustion engines, standard fuel-air cycles, volumetric efficiency, mean effective pressure, combustion process, energy balance, mechanical losses, turbo-charging and mechanical charging. Engine map and automotive applications. Pollutant emissions.
Bibliografia
Tutto il materiale mostrato durante le lezioni e le esercitazioni sono resi disponili agli studenti sulla piattaforma Elly.
Gli studenti sono invitati a consultare i testi indicati:
Dossena, Ferrari, Gaetani, et al. - Macchine a Fluido - Città Studi Edizioni
Caputo C. - Gli impianti convertitori di energia - Masson, Milano
Caputo C. - Le macchine volumetriche - Masson, Milano
Caputo C. - Le turbomacchine - Masson, Milano
Ferrari-Motori a combustione interna - Il Capitello
Testi di approfondimento
Acton O. & Caputo C. - Collana di Macchine a fluido, 4 voll.- UTET, Torino
Lozza G. - Turbine a gas e cicli combinati - Progetto Leonardo, Bologna
Heywood - Internal combustion engines - McGraw Hill
Metodi didattici
Il corso ha 9 CFU a cui corrispondono 63 ore di lezione. Le attività didattiche saranno condotte privilegiando lezioni frontali in aula alternate ad esercitazioni.
Durante le lezioni frontali vengono affrontati gli argomenti del corso da un punto di vista teorico-progettuale, al fine di favorire la comprensione profonda delle tematiche e di far emergere eventuali preconoscenze sui temi in oggetto da parte dei formandi.
E’ prevista una visita didattica presso un’azienda costruttrice di macchine a fluido.
Le esercitazioni sono finalizzate a presentare alcuni esempi di dimensionamento delle macchine.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate all’inizio del corso sulla piattaforma Elly.
Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico.
Modalità verifica apprendimento
Esiste il solo esame finale che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità
tramite lo svolgimento di due prove scritte ed una prova orale, senza l'aiuto di appunti o libri.
1) prova scritta pertinente alla parte teorica del materia (tempo a disposizione 45-60 minuti)
lo studente deve rispondere a una o più domande su temi diversi. Lo studente deve riportare tutte le informazioni di cui è a conoscenza scrivendo testo, formule e tracciando diagrammi o disegni.
2) prova scritta pertinente ad uno degli esercizi svolti in aula (tempo a disposizione 70-90 minuti)
Lo studente deve svolgere l’esercizio correttamente sia come procedura sia come calcoli.
Dopo la correzione delle prove scritte gli studenti vengono riconvocati, normalmente il giorno dopo, per la comunicazione degli esiti e l’ammissione all’orale che inizia il giorno stesso.
3) prova orale (tempo indicativo 20-30 minuti):
la prova orale verte su alcuni argomenti trattati nel corso.
Si è ammessi all’esame orale conseguendo un voto complessivo nelle due prove scritte maggiore o uguale a 34. Non si è ammessi con voti inferiori a 16/30. Quindi la condizione minima per accedere all’orale è 16/30 in una prova scritta e 18/30 nell’altra.
Il voto finale è una media pesata dei voti conseguiti nelle tre prove. La prova orale ha il peso maggiore (0.4). La prova scritta pertinente all’esercizio ha il peso minore (0.25).
La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni item a cui si aggiunga la padronanza del lessico.
Le prime due prove scritte si tengono lo stesso giorno. Una sola iscrizione su esse3.
La prova orale si tiene normalmente il giorno successivo. Eccezionalmente lo stesso giorno o due giorni dopo.
E’ importante iscriversi su esse3 ad entrambe le prove. La prova orale, essendo l’ultima, compare come appello, le prove scritte compaiono come unica prova parziale (o prova in itinere).
Altre informazioni
Si consiglia di frequentare le lezioni.
Il programma del corso di Macchine per l’industria alimentare di 6 CFU, che si avvale di questo corso non comprende la parte di motori a combustione interna.
