Risultati di. Settore scientifico disciplinare (SSD) ING-IND/09. Anno di corso. Anno Accademico Numero totale di crediti

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1 Insegnamento Livello e Corso di Studio Settore scientifico disciplinare (SSD) Anno di corso Macchine. Laurea Triennale in Ingegneria Industriale ING-IND/09 III Anno Accademico Numero totale di crediti Propedeuticità Docente Obiettivi formativi Prerequisiti Risultati di apprendimento attesi 9 CFU Fisica Generale I, Termodinamica Applicata Lidia Lombardi Facoltà: Ingegneria Nickname: lombardi.lidia lidia.lombardi@unicusano.it Orario di ricevimento: consultare calendario videoconferenze L insegnamento di Macchine ha i seguenti obiettivi formativi: 1. Introdurre ai temi delle risorse energetiche 2. Rivedere le basi della termodinamica applicata 3. Illustrare le basi del funzionamento degli impianti termoelettrici a vapore e fornire gli elementi necessari alla analisi delle prestazioni 4. Illustrare le basi del funzionamento degli impianti termoelettrici a turbina a gas e fornire gli elementi necessari alla analisi delle prestazioni 5. Illustrare le basi del funzionamento degli impianti termoelettrici a ciclo combinato e fornire gli elementi necessari alla analisi delle prestazioni 6. Introdurre elementi preliminari di fluidodinamica 7. Introdurre elementi preliminari di scambio di lavoro nelle turbomacchine. Conoscenze di base dell'analisi matematica (Analisi I e Analisi II), della fisica (Fisica), della termodinamica applicata (Termodinamica Applicata), acquisite nei corsi del I e II anno delle lauree in ingegneria industriale. L insegnamento intende fornire allo studente le basi per la valutazione, la verifica e la progettazione corrente dei sistemi di conversione dell'energia, con particolare riferimento a quelli più impiegati attualmente negli impianti industriali. Conoscenza e capacità di comprensione Conoscenza dei principali sistemi di conversione energetica (cicli a vapore, a gas e cicli combinati) e dei loro componenti, capacità di comprensione e descrizione del loro funzionamento, dei parametri di progetto e delle condizioni di esercizio che ne influenzano le prestazioni. Conoscenze e capacità di comprensione applicate Capacità di risoluzione di problemi di calcolo relativi ai principali sistemi di conversione energetica (cicli a vapore, a gas e cicli combinati), con particolare riferimento al calcolo delle prestazioni in dipendenza dai principali parametri di progetto, sulla base di bilanci energetici, tenendo conto delle relative caratteristiche delle macchine e dei fluidi impiegati. Autonomia di giudizio Capacità di scegliere le appropriate procedure di risoluzione e le metodologie per lo svolgimento dei problemi assegnati. Capacità di valutare e spiegare i risultati ottenuti dallo svolgimento dei problemi rispetto ai risultati attesi sulla base dello studio teorico. 1

2 Abilità comunicative Sviluppo di un linguaggio scientifico corretto e comprensibile che permetta di esprimere in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze apprese. Capacità di comunicare e descrivere con accuratezza la procedura di risoluzione e le metodologie utilizzate per lo svolgimento dei problemi assegnati. Capacità di apprendere Capacità di studiare autonomamente approfondimenti relativi ai temi dell insegnamento. Organizzazione dell insegnamento L insegnamento è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. La didattica interattiva è svolta nel forum della classe virtuale e comprende 5 Etivity che applicano le conoscenze acquisite nelle lezioni di teoria, tramite lo sviluppo di fogli elettronici di calcolo da parte dello studente, per la risoluzione di problemi tipici della conversione dell energia. In particolare, il Corso di Macchine prevede 9 Crediti formativi. Il carico totale di studio per questo insegnamento è compreso tra 220 e 250 ore così suddivise: - circa 160 ore per la visualizzazione e lo studio del materiale videoregistrato (15 Ore videoregistrate di Teoria e ore di esercitazioni). - circa 60 ore di Didattica Interattiva per l elaborazione e la consegna di 5 Etivity - circa 10 ore di Didattica Interattiva per l esecuzione dei test di autovalutazione. Si consiglia di distribuire lo studio della materia uniformemente in un periodo di settimane dedicando tra le 20 alle 25 ore di studio a settimana Sulla piattaforma è presente un forum generale per lo scambio di informazioni fra docente e studenti o fra studenti. Contenuti dell insegnamento Materiali di studio Modalità di verifica dell apprendimento Modulo 1 Introduzione ai temi energetici. Modulo 2 Termodinamica applicata alle macchine. Modulo 3 Impianti a vapore. Modulo 4 Turbine a gas. Modulo 5 Cicli combinati. Modulo 6 Fluidodinamica. Modulo 7 Scambio di lavoro nelle turbomacchine. Il programma si divide in sette parti principali o moduli: introduzione, termodinamica applicata alle macchine, impianti a vapore, turbine a gas, cicli combinati, fluidodinamica, scambio di lavoro nelle turbomacchine. Per ciascun modulo, il materiale didattico è organizzato in lezioni videoregistrate, dispense, presentazioni, esercitazioni svolte e raccolta degli esercizi di esami passati non svolti. Sono infine proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni videoregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. Tale materiale contiene tutti gli elementi necessari per affrontare lo studio della materia. Per approfondire e migliorare l apprendimento sono consigliati i seguenti testi: -Alberto Cavallini e Lino Mattarolo. Termodinamica applicata. CLEUP. -Yunus Cengel e Michael Boles. Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Science/Engineering/Math - G. Cornetti e F. Millo. Macchine idrauliche. Edizioni Il Capitello G. Cornetti e F. Millo. Scienze termiche e macchine a vapore. Edizioni Il Capitello G. Cornetti e F. Millo. Macchine a gas. Edizioni Il Capitello L esame consiste nello svolgimento di una prova scritta tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti e di una serie di attività (Etivity) svolte durante il corso nelle classi virtuali. La valutazione delle Etivity da 0 a 5 punti, è effettuata, in itinere, durante il corso. L esame di profitto è valutato per i restanti da 0 a 25 punti e può essere effettuato in forma scritta sia presso la sede di Roma sia presso i poli didattici previa prenotazione da parte dello studente. La prova scritta si articola nello svolgimento di esercizi riconducibili alle tipologie degli esercizi svolti durante le esercitazioni, con eventuali domande di carattere teorico. Allo studente è richiesto di svolgere gli esercizi riportando accuratamente i passaggi, le espressioni di calcolo utilizzate, e le assunzioni fatte, in modo che sia possibile per il docente ricostruire il ragionamento seguito e distinguere fra le diverse tipologie di eventuali errori commessi (ad esempio semplici errori di calcolo o errori concettuali). E richiesto lo schizzo dello schema semplificato dell impianto/componente rispetto al quale individuare i dati di input forniti. Per ciascun esercizio viene richiesto il calcolo di un certo numero di variabili/parametri/prestazioni. A ciascun risultato richiesto viene assegnato un punteggio, in modo che sia chiara la modalità di formazione del punteggio finale assegnato alla prova scritta (si veda come esempio un vecchio testo di compito). 2

3 I risultati di apprendimento attesi circa le conoscenze acquisite nel corso e la capacità di applicarle sono valutate dalla prova scritta, mentre le abilità comunicative, la capacità di trarre conclusioni e la capacità di autoapprendimento sono valutate in itinere attraverso le Etivity. Criteri per l assegnazione dell elaborato finale L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione agli argomenti che desidererebbe approfondire e sulla base degli argomenti proposti dal docente; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 - Lezione 1 Modulo 1 - Lezione 2 Modulo 1 - Lezione 3 Modulo 1 - Lezione 4 Etivity 1 Modulo 2 - Lezione 1 Modulo 2 - Lezione 2 Modulo 2 - Lezione 3 Modulo 2 - Lezione 4 Modulo 2 - Lezione 5 Modulo 2 - Lezione 6 Problematiche energetiche ed ambientali. Energia. Principio di conservazione dell energia. Unità di misura dell energia e della potenza. Cenni storici. Il problema energetico. La domanda energetica. Le fonti energetiche. Le fonti energetiche fossili: il petrolio, il gas naturale, il carbone. Il nucleare. Le fonti energetiche rinnovabili: eolico, idroelettrico, solare. Lo sviluppo sostenibile e l effetto serra. La situazione energetica in Italia. Classificazione delle macchine. Raccolta ed illustrazione di dati aggiornati sulla produzione/consumo di energia elettrica in Italia/Europa. (6 ore di carico di studio settimana 1) Macchine e bilanci di energia. La Termodinamica. Il sistema termodinamico. L equilibrio termodinamico. Proprietà termostatiche e grandezze di stato. Gas perfetti. Trasformazioni politropiche. Primo Principio della Termodinamica per sistemi chiusi. Secondo Principio della Termodinamica. Entropia. Ciclo di Carnot. Trasformazioni cicliche. Piani termodinamici. Primo Principio della Termodinamica per sistemi aperti. Applicazioni. Rappresentazione dell espansione e della compressione adiabatiche ideali sui piani termodinamici. Esercitazione 2.1: applicazione del Primo Principio della Termodinamica. Rappresentazione dell espansione e della compressione adiabatiche reali sui piani termodinamici. Rendimento adiabatico di compressione ed espansione. Lavoro della trasformazione politropica. Rendimento politropico di espansione e compressione. Confronto fra rendimento politropico e rendimento adiabatico. Compressione isoterma ed interrefrigerata. Rapporti di compressione ottimali. Espansione isoterma e con adduzione di calore. Rapporti di espansione ottimali. Ciclo di Carnot. Effetto Carnot. Effetto di molteplicità delle sorgenti. Effetto Clausius. I cicli termodinamici. Rendimento di un impianto motore. Etivity 2 Applicazione del Primo Principio della Termodinamica (9 ore di carico di studio settimana 2) Modulo 3 Lezione 1 Settimana 3-4 Modulo 3 Lezione 2 Settimana 3-4 Modulo 3 Lezione 3 Impianti a vapore. Le prestazioni del ciclo Hirn. L ottimizzazione delle prestazioni. Pressione al condensatore. Condizioni al generatore di vapore. Surriscaldamento. Surriscaldamenti ripetuti. Esercitazione 3.1: come usare diagramma e tabelle del vapore. Esercitazione 3.2: calcolo delle prestazioni di un ciclo a vapore semplice. La rigenerazione negli impianti a vapore. La rigenerazione con spillamenti. Il rigeneratore a miscela. Il rigeneratore a superficie. Il degasatore. Esercitazione 3.3: calcolo delle prestazioni di un ciclo a vapore con uno spillamento. Esercitazione 3.4: ciclo a vapore. I generatori di vapore. Schemi di caldaie. Parametri tecnici caratteristici. Calcolo del rendimento del generatore di 3

4 Settimana 3-4 vapore. Circolazione aria/fumi. Circuito acqua/vapore. Esercitazione 3.5: ciclo a vapore e calcolo rendimento del generatore di vapore. Esercitazione 3.6: bilancio di combustione. Esercitazione 3.7: calcolo rendimento del generatore di vapore. Esercitazione 3.8: condensatore. Esercitazione 3.8: calcolo delle prestazioni di un ciclo a vapore. Etivity 3 Le prestazioni del ciclo a vapore al variare dei parametri di progetto (15 ore di carico di studio settimana 4) Modulo 4 Lezione 1 Modulo 4 Lezione 2 Modulo 4 Lezione 3 Modulo 4 Lezione 4 Modulo 4 Lezione 5 Modulo 4 Lezione 6 Impianti motori a gas. Il ciclo ideale delle turbine a gas. Il rendimento ed il lavoro specifico del ciclo ideale. Scelte progettuali. Il ciclo limite delle turbine a gas e le prestazioni. Il ciclo reale delle turbine a gas. Calcolo ed analisi del rendimento. Le prestazioni in funzione dei rendimenti politropici. Esercitazione 4.1: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas semplice. La rigenerazione nelle turbine a gas. Interrefrigerazione nel ciclo semplice, rapporto di compressione ottimale, andamento del lavoro utile. Esercitazione 4.2: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas con rigenerazione. Esercitazione 4.3: ciclo turbogas. Esercitazione 4.4: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas interrefrigerato. Esercitazione 4.5: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas con reheating. Esercitazione 4.6: combustione ed eccesso d aria. Esercitazione 4.7: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas con e senza rigenerazione. Macchine reali. Influenza dei rendimenti adiabatici di compressore e turbina, temperatura massima, rapporto di compressione. Calcolo delle prestazioni delle turbine a gas. Raffreddamento delle pale. Bilancio termico. Mercato delle turbine a gas. Macchine heavy-duty e aeroderivative. Influenza delle condizioni esterne. Sporcamento e invecchiamento. Regolazione ed avviamento. Componenti delle turbine a gas. Compressore. Combustore. Combustibili. Turbina. Esercitazione 4.6: combustione ed eccesso d aria. Esercitazione 4.7: calcolo delle prestazioni di un ciclo turbogas con e senza rigenerazione. Etivity 4 Le prestazioni delle turbine a gas al variare dei parametri di progetto (15 ore di carico di studio settimana 6) Modulo 5 Lezione 1 Modulo 5 Lezione 2 Modulo 5 Lezione 3 Modulo 5 Lezione 4 Cicli combinati. L idea alla base. Il ciclo a recupero ideale. Il ciclo a recupero a vapore. Il rendimento dei cicli combinati. Rendimenti di recupero. Ciclo combinato gas-vapore a un livello di pressione. Profilo di temperatura nella caldaia a recupero. Differenze di temperatura. Caratteristiche costruttive della caldaia a recupero. Ciclo combinato gas-vapore a due livelli di pressione senza risurriscaldatore. Ciclo combinato gas-vapore a due livelli di pressione con risurriscaldatore. Ciclo combinato gas-vapore a tre livelli di pressione senza risurriscaldatore. Ciclo combinato gas-vapore a tre livelli di pressione con risurriscaldatore. Esercitazione 5.1: ciclo combinato gas-vapore a un livello di pressione. Esercitazione 5.2: cogenerazione con turbine a gas. Cicli combinati gas-vapore con post-combustione. Prestazioni. Esempi di turbine a gas. Etivity 5 Il risparmio di energia primaria con la cogenerazione (15 ore di carico di studio settimana 8) Modulo 6 Lezione 1 Modulo 6 Lezione 2 Modulo 6 Lezione 3 Cenni di fluidodinamica. Moto nei condotti. Elasticità dei fluidi. Velocità di propagazione dei disturbi di pressione. Numero di Mach. Regimi di flusso. Propagazione nelle correnti sub-soniche. Propagazione nelle correnti soniche e super-soniche. Propagazione nei condotti. Flusso monodimensionale comprimibile. Flusso quasi unidimensionale. Grandezze di ristagno: Entalpia, temperatura e pressione di ristagno. Condizioni critiche. Condotto fisso a sezione variabile. Equazioni del flusso isoentropico. Variazioni relative di velocità. Relazione di Hugoniot. Ugello convergente. Ugello convergente-divergente. 4

5 Modulo 7 Lezione 1 Modulo 7 Lezione 2 Modulo 7 Lezione Cenni allo scambio di lavoro nelle turbomacchine. Vettore velocità. Equazione di Eulero. Grado di reazione. Grado di reazione: turbine assiali ad azione. Turbina assiale ad azione monostadio: triangoli di velocità. Turbina assiale a reazione monostadio: triangoli di velocità. Rendimento di stadio turbina assiale ad azione. Rendimento di stadio turbina assiale ad azione. Le turbine idrauliche: Pelton, Francis, Kaplan. Svolgimento esercizi riepilogativi da testi compiti passati. 5