MACCHINE

 

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Università di Parma

A.A. 2002/03

 

 

Docente

Gian Luigi BERTA

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Università di Parma

 

Collocazione del Corso

4° anno 1° semestre

 

Finalità ed organizzazione del Corso

Il corso fornisce le conoscenze di base sulla teoria delle Macchine a fluido e degli Impianti Motori.. Sono anche discussi i principi e la architettura dei tipi più comuni, ad eccezione dei Motori a combustione interna, cui é dedicato un intero corso del V anno.

 

Prerequisiti

Meccanica applicata alle Macchine e Fisica Tecnica

 

Programma

 

Lezioni [ 78 ore]

Classificazione delle macchine. Fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. Consumi energetici in Italia e nel mondo.

Richiami di termodinamica: 1° e 2° principio, gas e vapori. Equazioni fondamentali: continuità, energia e quantità di moto, applicazioni.

Equazione di Eulero per i rotori delle turbomacchine. Turbomacchine assiali e radiali.

Sfruttamento dell'energia idraulica: impianti a bacino e ad acqua fluente. Le turbine idrauliche: analisi del funzionamento, grado di reazione. Turbine Pelton, Francis, Kaplan, Banki. La similitudine applicata alle turbine idrauliche. Il diffusore allo scarico. La cavitazione.

Sfruttamento dell'energia dei combustibili, fiamme, proprietà dei combustibili. Bilanci di massa, composizione dei prodotti, rapporto stechiometrico.. Calcolo della temperatura finale di combustione adiabatica.

Cicli e pseudocicli termodinamici. Effetto dei cascami termici. Catena dei rendimenti, rendimento globale corretto, consumo specifico, consumo specifico termico. Cifra di merito, indice di molteplicità delle sorgenti, grado di reversibilità. Costo dell'energia, coefficiente di utilizzazione, diagramma di carico. L'accumulo di energia meccanica.

Impianti motori a vapore: il circuito elementare con cenni storici, cicli a vapor saturo e surriscaldato. I generatori di vapore, tipi e principi. Caldaie a tubi di fumo, costante di tempo. Caldaie a tubi d'acqua, evaporatori, circolazione. Surriscaldatori, economizzatori, cenni di regolazione. Focolare, tiraggio. Rendimento del generatore di vapore. Preriscaldatori d'aria, caldaie once-through. Il condensatore e le torri di raffreddamento.

Ottimizzazione della pressione in caldaia, il degasatore, la rigenerazione.

Le turbomacchine a fluido comprimibile. Equazione di De St. Venant, effetto della comprimibilità sulla pressione dinamica, equazione di Hugoniot, numero di Mach, ugelli e diffusori ideali e reali. La pressione critica. Equazione della portata negli ugelli, cono delle portate. Andamento della compressione e dell'espansione sui piani termodinamici, recupero e controrecupero. Rendimenti di compressione e di espansione.

Andamento dell'espansione in uno stadio di turbina, salto entalpico rotorico, grado di reazione. Triangoli delle velocità rapporto cinematico fondamentale. Caratteristica meccanica, velocità di fuga. Analisi delle perdite. Condizione di massimo rendimento per uno stadio assiale, dipendenza dal grado di reazione; salto entalpico smaltibile. Stadi a salti di velocità, ripartizione della potenza.

Turbine a vapore: problemi di smaltimento di portata, umidità. Tenute, spinta assiale, architettura. Cratteristica interna, regolazione.

Lo sfruttamento dell'energia nucleare. Impianti nucleari di potenza. Cicli a vapore nucleari, risurriscaldamento a vapore.

Turbine a gas, cicli di riferimento, rendimento e lavoro unitario, ottimazione. Rigenerazione, interrefrigerazione, espansioni ripetute. Impianti a circuito chiuso e aperto. Rapporto aria-combustibile, camere di combustione. Problemi delle alte temperature, raffreddamento delle pale, materiali. Regolazione della potenza.

Impianti combinati, recupero totale, impianti binari. Impianti combinati gas-vapore, effetto del rendimento del GV a recupero. Postcombustione e doppio livello di pressione. Cenno agli IGCC.

Cogenerazione: vantaggi, problemi, analisi delle prestazioni, schemi di impianto.

Macchine operatrici: definizione di prevalenza, accoppiamento macchina-circuito. Tipi. Turboperatrici centrifughe, teoria euleriana, effetto del numero finito di pale, perdite. Pompe: cavitazione, NPSH. Funzionamento sui 4 quadranti.

Compressori dinamici centrifughi e assiali. Teoria euleriana dello stadio assiale, cenno alla teoria alare, stallo. Pompaggio. Caratteristica interna delle macchine pluristadio, choking, campo di funzionamento.

Macchine operatrici volumetriche. Compressori alternativi: generalità, riempimento, rapporto di compressione massimo, compressori pluristadio, interrefrigerazione; particolari costruttivi, regolazione. Compressori volumetrici rotativi: tipi, teoria elementare dei trasferitori e delle macchine dotate di compressione interna, curve caratteristiche. Pompe alternative: costruzione, regolarizzazione della portata, casse d'aria. Pompe volumetriche rotative: tipi, teoria, cenno alle macchine a cilindrata variabile.

 

Esercitazioni [26 ore]

Applicazioni numeriche delle equazioni fondamentali

Progetto di una turbina Banki

Applicazioni numeriche sui cicli a vapore

Progetto di una caldaia a tubi di fumo

Progetto di un condensatore

Applicazioni numeriche su ugelli e diffusori

Progetto di una turbina a vapore

Progetto di una pompa centrifuga

Applicazioni numeriche sull'accoppiamento macchina operatrice-circuito

Applicazioni numeriche su impianti combinati e cicli cogenerativi

Dimensionamento di un compressore alternativo

 

Bibliografia

O.Acton, C.Caputo    Macchine a fluido: voll. 1, 2I, 2II, 4 – UTET, Torino

C.Caputo – Collana di Macchine: voll. 1, 2, 3I – Masson, Milano

 

Esame

Prova orale di circa 45 min