CdSINGEGNERIA MECCANICA
Codice111II
CFU9
PeriodoSecondo semestre
LinguaItaliano
Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze in merito al principio di funzionamento e alle basi delle macchine a fluido (turbine e compressori) e degli impianti di conversione dell'energia (impianti a vapore, turbine a gas e motori a combustione interna) e dei principali sistemi di conversione dell'energia rinnovabile (energia solare, eolica, geotermica, idraulica)
At the end of the course the student will have acquired the knowledge of the operating principles and the basic behavior of fluid dynamics of turbomachinery (turbines and compressors) and energy conversion plants (steam power plants, gas turbines and internal combustion engines) and systems for renewable energy (solar, wind, goethermal and hydro power)
La conscenza verrà verificata dalla dimostrazione della capacità di discutere gli argomenti principali del corso con una terminologia appropriata. Durante l'esame orale lo studente dovrà dimostrare la sua conoscenza degli argomenti del corso e di rispondere alle domande con approfondimento e con capacità di esprimere i concetti con proprietà di linguaggio. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di mettere in pratica e di eseguire con spirito critico le attività illlustrate sotto la guida del professore durante le lezioni. Nel rispondere alle domande fatte dal docente, lo studente dovrà dimostrare la capacità di affrontare un problema e di organizzare un'esposizione efficade dell'argomento.
Metodo:
- Esame orale finale per il 100% della valutazione
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. - During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss the reading matter thoughtfully and with propriety of expression. - The student must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the activities illustrated or carried out under the guidance of the teacher during the course. - With the oral presentation, to be made to the teacher, the student must demonstrate the ability to approach a circumscribed design problem, and organise an effective exposition of the results.
Method:
- Final oral exam will contribute at 100% to the final evaluation
Al termine del corso:
- lo studente saprà svolgere dei calcoli per la progettazione preliminare di macchine a fluido
- lo studente saprà svolgere dei calcoli per la progettazione preliminare di impianti di conversione dell'energia
At the end of the course:
- the student will be able to do calculations for the preliminary design of fluid machines
- the student will be able to do calculations for the preliminary desing of energy conversion systems.
Lo studente dovrà essere in grado di utilizzare le grandezze termodinamiche e fluidodinamiche dimostrando di averne compreso il significato e le applicazioni
The student will have to show his capacity to use and manage thermodynamic and fluid dynamic properties necessary to the calculations and showing to have understood the meaning and the applications of those concepts.
Lo studente dovrà aver acquisito sensibilità per le principali grandezze relative agli impianti di conversione dell'energia e alle macchine a fluido.
The student should have acquired the sensitivity to understand the main parameters and characteristics of turbomachinery and energy conversion systems
Durante le prove di esame verrà verificata la padronanza dello studente nella conoscenza delle grandezze relative agli argomenti trattati.
During the exams the knowledge of the main paramters will be verified
E' molto importante che l'esame venga sostenuto dopo il superamento degli esami del primo anno e dell'esame di Fisica Tecnica. La conscenza della matematica e della fisica di base con particolare riferimento alla termodinamica e allo scambio termico sono considerate conoscenze di base per questo insegnamento
It is important that the exam will be done after completing the study of the first year and the exam of Fisica Tecnica. The knowledge of basic mathematics and physics with particular attention to thermodynamics and heat transfer are considered as basic knowledge for this course.
Lezioni frontali
Attività di apprendimento:
- seguire le lezioni
- preparazione di esami orali
Frequenza: consigliata
Delivery: face to face
Learning activities:
- attending lectures
- preparation of oral/written report
Attendance: Advised
- Richiami di termodinamica, Sistemi aperti e chiusi. Primo principio della termodinamica. Espressione del primo principio per sistemi aperti e chiusi. Secondo principio della termodinamica. Proprietà termodinamiche dei fluidi. Liquidi, gas e vapori. Equazioni di stato. Diagrammi termodinamici: T-s, h-s, p-v. Proprietà termodinamiche dei gas perfetti. Proprietà termodinamiche del vapore d'acqua. Tabelle delle proprietà del vapore. Esempi di trasformazioni termodinamiche: isoterma, isobara, isocora, adiabatica, politropica. Compressione ed espansione adiabatica, reale, politropica. Rendimenti delle trasformazioni adibatica e politropica. Exergia. Definizioni. Bilanci exergetici. Perdite exergetiche. Esempi di trasformazioni valutate con l'analisi exergetica.
- Combustibili e combustione. Combustibili solidi, liquidi e gassosi. Potere calorifico superiore e inferiore.
- Impianti motore a vapore. Miglioramenti al ciclo Rankine: surriscaldamenti mutipli. Rigenerazione termica. Elementi degli impianti a vapore: rigeneratori, degasatore, condensatore. Generazione del vapore. Generatori di vapore speciali. Altri componenti per impianti a vapore.
- Motori a combustione interna: cicli di riferimento Confronto tra i motori principali, diagramma di distribuzione e curva della pressione. Funzionamento reale del motore a combustione interna, lavoro in un motore a combustione interna. Descrizione del ciclo reale e delle particolarità dei vari parametri. Sovralimentazione. Alimentazione e iniezione nei motori a combustione interna a ciclo Otto e Diesel.
- Termodinamica delle turbine a gas: ciclo semplice ideale, ciclo limite, ciclo reale. Rendimento e lavoro specifico. Turbine a gas: rigenerazione termica, interefrigerazione, post combustione, iniezione di vapore. Camere di combustione: configurazione di base, evoluzione della tipologia,
- problemi e soluzioni per la combustione, emissioni inquinanti principali. Stadi refrigerati di turbina a gas: raffreddamento per convezione, per film. Parametri per la qualità della refrigerazione. Rendimento di propulsione per turbine a gas aeronautiche.
- Cicli combinati gas-vapore. Schema della caldaia a recupero. Caldaie ad un livello di pressione. Caldaie a due livelli di pressione. Caldaie a tre livelli di pressione. Serie H dei cicli combinati con refrigerazione delle pale a vapore.
- Equazioni fondamentali del moto dei fluidi. Equazione di Bernoulli. Equazione dell'energia. Conservazione della quantità di moto. Grandezze totali. Turbine assiali. Triangoli di velocità. Stadio di turbine assiali ad azione e reazione. Rendimento di palettatura. Compressori assiali. Stadio di compressore assiale. Triangoli di velocità. Diffusori. Prestazioni dei diffusori. Compressori centrifughi. Triangoli di velocità. Slip Factor. Riepilogo turbine ad azione/reazione, confronto stadi ad azione e reazione, perdite per urto, perdite per effetto ventilante e attrito, ugello convergente divergente.
- Turbine idrauliche. Similitudine e definizione di numero di giri specifico e diametro specifico. Impianti ad acqua fluente e a bacino. Scelta delle turbine idrauliche. Turbina Pelton. Regolazione della turbina Pelton. Turbina Francis e Turbine ad elica (Kaplan e Bulbo). Distribuzione e regolazione della portata nelle turbine a reazione. Pompe centrifughe. Pompe centrifughe con palettatura indietro, radiale e in avanti. Cavitazione. NPSH disponibile e richiesto. Altezza massima di aspirazione. Pompe in serie e in parallelo. Regolazione e avviamento delle pompe. Pompe volumetriche e pompe speciali.
- Definizione di velocità del suono. Velocità caratteristica adiabatica. Grandezze totali. Numero di Mach. Ugello convergente-divergente. Cono di Stodola
- Energie rinnovabili: energia solare termica e fotovoltaica, energia solare a concentrazione, energia eolica, legge di Betz, energia idroelettrica, energia geotermica, impianti ad acqua e a vapore dominante.
- Principes of thermodynamics. Open and closed systems, First and second law of thermodyanics for open and closed systems. Properties of fluids: liquids, gas and vapors. Equations of state. Thermodynamic diagrams: T-s, h-s, p-v. perfect gas and vapors. Examples of thermodynamic processes: constant temperature, pressure, volume, adiabatic and polytropic. Compression and expansion processes. Efficiency of compression and expansion. Exergy analysis: principles.
- Fuels and combustion. Solid, liquid and gaseous fuels. Lower and higher heating value.
- Steam power plants. improvements to Rankine cycle: superheating, feedwater heating. steam plants components: feedwater heaters, deaerator, condenser. Steam generators.
- Internal combustion engines: typology of main engine systems, 2-4 stroke, diesel/otto, phase diagram and pressure distribution. Real operation of internal combustion engines and expression of work and power. Supercharging. Injection and charge preparation in engines.
- Gas turbines: Simple cycle efficiency and work. Improvements: recuperation, intercooling and post combustion. Combustion chambers. Blade cooling principles. Propulsion with gas turbines.
- Combined gas-steam cycles. HRSG: single and multiple pressure.
- Fundamental equations of fluid flow. Bernoulli equation. Energy balance equazione. Momentum of fluid. Total magnitudes. Axial turbines. Velocity triangles. Impulse and reaction turbine stages. Blade efficiency. Axial compressors. Compressor stage. Velocity triangles. Diffusers. Radial compressors. Velocity triangles. Slip Factor. Impulse and reaction stages comparison, losses in turbine blades.
- Hydraulic turbines. Similitude and non dimensional parameters. River and basin hydroelectric plants. Selection of hydro turbines. Pelton, Francis and Kaplan turbines. Centrifugal pumps. Cavitation. Available and requested NPSH. Pomps in series and parallel. Volumetrci and special pumps.
- Speed of sound and Mach number, converging-diverging nozzle, Stodola cone.
- Renewable energy: solar thermal, concentrated and PV solar systems. wind energy. hydroenergy, river and basin sytems. Geothermal energy: water and steam dominated systems.
Gli studenti hanno a disposizione i lucidi utilizzati dai docenti sul sito elearn.ing.unipi.it
Libri di consultazione aggiuntivi:
- Martorano, Antonelli, Elementi di Macchine, ETS
- Caputo, Impianti di conversione dell'energia, Utet
- Caputo, Turbomacchine, Utet
- Caputo, Motori a combustione interna, Utet
- Lozza, Turbine a gas e cicli combinati
Student may access the slides projected by professors on the website: elearn.ing.unipi.it
Additional books:
- Martorano, Antonelli, Elementi di Macchine, ETS
- Caputo, Impianti di conversione dell'energia, Utet
- Caputo, Turbomacchine, Utet
- Caputo, Motori a combustione interna, Utet
- Lozza, Turbine a gas e cicli combinati
L'esame consiste in una prova orale con il docente. La prova consiste in un colloquio tra il candidato e il docente e durante la prova orale potrà anche essere richiesto al candidato di risolvere anche problemi scritti, davanti al docente. Normalmente è richiesto di rispondere a tre domande. La durata media di ciascuno colloquio è di circa 20-30 minuti.
La prova orale è non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro e non risponde o risponde con evidenti carenze sulle conoscenze di base del corso.
The exam consists of an oral conversations with the teacher. The conversation may include questions concerning the solution of written exercises in front of the teacher. Students are normally requested to answer three questions. The average duration is 20-30 minutes.
The oral exam is not passed if the candidate does not demonstrate to be able to express clearly the concepts and deos not answer or answer with evident lack of knowledge about the basic subjects of the course.