ECTS - University of Pisa
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), anche rinnovabile (impianti idroelettrici).
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 (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:
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:
Al termine del corso:
At the end of the course:
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:
Frequenza: consigliata
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Generalità e classificazione degli impianti e delle macchine. Sfruttamento delle fonti energetiche fossili e rinnovabili. Impianti motori termici a combustione interna e a combustione esterna; rendimento di un impianto motore termico. Classificazione delle macchine a fluido: motrici/operatrici, dinamiche/volumetriche, termiche/idrauliche.
Lavoro delle macchine a fluido. Lavoro per un sistema chiuso. Lavoro per un sistema fluente. Formulazioni termica e meccanica dell’equazione dell’energia. Gas ideali e reali. Trasformazioni di compressione e di espansione: trasformazioni ideali e reali; trasformazioni politropiche equivalenti; rendimento isentropico e politropico. Equazione di Eulero, lavoro per azione e per reazione, grado di reazione.
Turbine e compressori dinamici. Turbine assiali. Triangoli di velocità. Stadio di turbine assiali ad azione e reazione. Rendimento di palettatura. Confronto tra turbine ad azione e a reazione a parità di salto entalpico, e a parità di velocità periferica. Turbine multistadio a salti di pressione. Turbine a vapore di timo misto (stadio ad azione a salti di velocità, stadi a reazione). Compressori assiali: stadio di compressore assiale; triangoli di velocità. Compressori centrifughi.
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.
Turbine idrauliche. Impianti ad acqua fluente e a bacino. Similitudine e definizione di numero di giri specifico e diametro specifico. Scelta delle turbine idrauliche. Turbina Pelton e sua regolazione. Turbina Francis, ad elica e Kaplan. Distribuzione e regolazione della portata nelle turbine a reazione.
Impianti motore a vapore. Miglioramenti al ciclo Rankine: surriscaldamenti mutipli. Rigenerazione termica. Elementi degli impianti a vapore: rigeneratori, degasatore, condensatore e torri di raffreddamento. Generatori di vapore: calcolo della temperatura di combustione; architettura delle caldaie moderne; circolazione forzata e attraversamento forzato; regolazione.
Impianti motore con turbine a gas. Termodinamica delle turbine a gas: ciclo semplice ideale e ciclo reale. Rendimento e lavoro specifico. Miglioramenti al ciclo Joule: rigenerazione termica, interrefrigerazione, post combustione. Camere di combustione: configurazione di base, evoluzione della tipologia. Stadi refrigerati di turbina a gas: raffreddamento per convezione, per film. Turbine a gas aeronautiche: turbogetto; rendimento di propulsione; turboelica e turbofan.
Cicli combinati gas-vapore. Impianti con e senza bruciatori ausiliari. Schema della caldaia a recupero. Caldaie a uno, due e tre livelli di pressione. Soluzioni per il repowering di impianti termoelettrici 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.
Classification of fluid machines. Open and closed systems, energy balance equation for open and closed systems. Perfect gas and vapours. Compression and expansion processes. Efficiency of compression and expansion.
Axial turbines. Velocity triangles. Impulse and reaction turbine stages. Blade efficiency. Axial compressors. Impulse and reaction stages comparison, losses in turbine blades. Compressor stage. Velocity triangles. Diffusers. Radial compressors. Velocity triangles.
Centrifugal pumps. Cavitation. Available and requested NPSH. Pumps in series and parallel.
Hydraulic turbines. Similarity and non-dimensional parameters. River and basin hydroelectric plants. Selection of hydro turbines. Pelton, Francis and Kaplan turbines.
Steam power plants. Improvements to Rankine cycle: superheating, feedwater heating. Steam plants components: feedwater heaters, deaerator, condenser. Steam generators.
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.
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.
- Martorano, Antonelli, Elementi di Macchine, ETS
- Della Volpe, Macchine, Liguori, 2011
Student may access the slides projected by professors.
Additional books:
- Martorano, Antonelli, Elementi di Macchine, ETS
- Della Volpe, Liguori Ed., 2011
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. L'esame non è superato se lo studente usa in modo non corretto la terminologia tipica dei temi trattati.
