Obiettivi Formativi

Il crescente ruolo dell’energia nella società contemporanea impone che tutti gli studenti di ingegneria abbiano un bagaglio di conoscenze di base dell’energia e degli aspetti associati alla sua utilizzazione, trasmissione e conversione tra differenti forme nonché dei dispositivi preposti alla sua produzione. Il corso si propone l’obiettivo di enfatizzare la fisica che descrive i fenomeni fondamentali e di fornire una descrizione matematica sufficiente per permettere la soluzione di problemi semplici. L’insegnamento ha anche l’obiettivo di: - far acquisire un metodo di indagine scientifica adeguato così da sviluppare la capacità di identificare, formulare, analizzare e risolvere problemi utilizzando metodi, tecniche e strumenti aggiornati. - far sviluppare la capacità di applicare le conoscenze ingegneristiche acquisite attraverso lo svolgimento di attività di progettazione/sviluppo pratico di concetti teorici, utilizzando tecniche e strumenti adeguati con l’analisi di esempi pratici o applicazioni ed esercitazioni da svolgere sia individualmente che in gruppo. - far sviluppare la capacità di elaborazione autonoma dei concetti e di presentazione dei risultati.

Learning Goals

The increased role of energy in our society requires that all engineering students have a basic knowledge of the principles of energy: its use, its transfer, its conversion from one form to another and its production. The course aims at emphasizing the physics describing the fundamental phenomena, while providing a sufficient mathematical description to permit the solution of simple problems. The course also aims to: - acquire the necessary professional and operational flexibility through a full understanding of the general issues and the ability to understand and use the specific technical languages and graphics. - develop the ability to apply the gained knowledge using appropriate tools and techniques.

Metodi didattici

Lezioni teoriche ed esercitazioni in aula.

Teaching Methods

Lectures and exercises.

Prerequisiti

Prerequisiti: Contenuto dei corsi di Analisi Matematica e Fisica.

Prerequisites

Prerequisites: Contents of the Mathematical Analysis and Physics courses.

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento prevede, per ciascun modulo, un esame composto da una prova scritta e da una prova orale. La prova scritta consiste nella risoluzione di esercizi vertenti su tutto il programma svolto. Non si è ammessi alla prova orale se il risultato della prova scritta è insufficiente. La prova orale consiste nell'esposizione di argomenti vertenti su tutto il programma svolto.

Assessment

Written test and oral examination

Programma del Corso

MODULO FISICA TECNICA GENERALITA’ Equilibrio termodinamico. Lavoro meccanico e calore. Principio zero. Scale di temperatura. Trasformazioni. I PRINCIPIO Equivalenza calore-lavoro. I principio. Schema dell’energia. Gas perfetti: energia interna e calori specifici. Politropiche. II PRINCIPIO Enunciati storici. Ciclo di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Entropia. Lavoro massimo. SISTEMI APERTI Primo principio per i sistemi aperti. Caldaie; scambiatori di calore; compressori alternativi; valvole di laminazione (Joule-Thomson). TRANSIZIONI DI FASE Regola delle fasi: curve di coesistenza e punti tripli. Equazione di Clapeyron. Formule empiriche per l’acqua. Diagrammi (P,V),(P,T),(T,S),(H,S),(P,H). CICLI TERMODINAMICI Cicli Otto, Diesel, Stirling, Brayton-Joule, Rankine. Ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo. MOTO DEI FLUIDI Equazione di continuità. Legge di Poisseille. Distribuzione degli gli sforzi. Strato limite idrodinamico. Equazione di Bernoullì. Perdite di carico distribuite. Abaco di Moody. Perdite di carico concentrate. Formula di Borda. Efflusso da un piccolo foro. Progetto di un circuito idraulico. CONDUZIONE La legge di Fourier. Equazione generale della conduzione. Parete piana semplice e multistrato. manicotto cilindrico semplice e multistrato. Reti di resistenze termiche. CONVEZIONE Convezione forzata, naturale e mista. Legge di Newton. Metodo dell’analisi dimensionale. IRRAGGIAMENTO Riflessione assorbimento e trasmissione. Sorgenti. Flusso energetico e grandezze derivate. Legge di Kirchhoff. Corpo nero e corpo grigio. Scambi termici tra superfici nere e grigie. Schermi alla radiazione termica. FORME MISTE Trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete piana o cilindrica. Raggio critico di isolamento. Alette di raffreddamento. Transitori termici. Scambiatori di calore. MODULO MACCHINE FABBISOGNI E PRODUZIONE D’ENERGIA E RICHIAMI DI TERMODINAMICA TRASFORMAZIONI TECNICHE DEI FLUIDI Trasformazioni termodinamiche e loro rappresentazione sui piani termodinamici. Calcolo del lavoro. MOTO DEI FLUIDI NEI CONDOTTI CON SCAMBIO DI ENERGIA Eq. cardinali dell’efflusso. Eq. di De Saint Venant. Velocità locale del suono e numero di Mach. Proprietà di ristagno. Efflusso fluidi comprimibili nei condotti a sezione variabile. Equazioni di Hugoniot. Condotti convergenti, divergenti e convergenti-divergenti. Cono di Stodola. EFFLUSSO NEI CONDOTTI DELLE TURBOMACCHINE Equazione meccanica dell’impulso. Momento della quantità di moto. Eq. di Eulero: motrici e operatrici. Rendimento interno di uno stadio di turbomacchina motrice e operatrice. Grado di reazione di uno stadio. TURBOMACCHINE MOTRICI A FLUIDO COMPRIMIBILE Monostadio assiale: ad azione, a reazione. Triangoli di velocità. Turbine a vapore polistadio: a salti di pressione, a salti di velocità. Regolazione. TEORIA DELLA SIMILITUDINE LE TURBOMACCHINE MOTRICI IDRAULICHE Configurazioni delle turbine idrauliche. Potenze e rendimenti. Turbine Pelton, Francis e Kaplan: triangoli di velocità, rendimento interno. Distributore e la cassa a spirale. La regolazione. Recupero energetico allo scarico delle turbine idrauliche. Cavitazione. TURBOMACCHINE OPERATRICI compressori dinamici. caratteristica teorica con infinite pale, teorica con “z” pale e reale con “z” pale. Perdite. Diffusori lisci e palettati. Compressori centrifughi polistadio. Compressori assiali. Rendimento interno. Macchine operatrici idrauliche. Caratteristica meccanica esterna ed interna. Matching. Cavitazione, pompaggio e stallo. Ventilatori centrifughi. Turbomacchine operatrici assiali. COMPRESSORI VOLUMETRICI ALTERNATIVI Funzionamento limite. Funzionamento reale. Dimensionamento di massima. Regolazione della portata

Course Syllabus

(THECNICAL PHYSICS MODULE) GENERALITY. Thermodynamic equilibrium. Work and heat. The zero Law. Temperature scales. Processes. THE I LAW. Work-heat equivalence. The first law. The energy scheme. Ideal gases: internal energy and specific heats. Polytropic processes. THE II LAW. Historical formulations. Carnot cycle. The Kelvin temperature scale. Entropy. Maximum work. CONTROL VOLUMES. The I law for a control volume. Boilers. Heat exchangers. Compressors. Throttling valves. (the Joule-Thomson process). PHASE CHANGES. The phases’ rule. Coexistence lines and triple points. Clapeyron equation. Empirical formulas for water. Diagrams (P,V), (P,T), (T,S), (H,S), (P,H). TERMODYINAMIC CYCLES. Otto, Diesel, Stirling, Brayton-Joule, Rankine cycles. The vapor compression refrigeration cycle. FLUIDS MOTION. The conservation equation. The Poisseille law. The stresses distribution. The hydrodynamic boundary layer. The Bernoulli equation. Distributed energy losses. Moody abacus. Concentrated energy losses. Borda formula. Flow through a small hole. Design of a hydraulic network. THERMAL CONDUCTION. Fourier law. The heat conduction equation. Simple and composite slabs. Simple and composite cylinders. Equivalent thermal networks. THERMAL CONVECTION. Free, forced and mixed convection. Newton law. The dimensional analysis method. THERMAL RADIATION. Reflection, absorption and transmission. Sources. Energy flux and derived parameters. Kirchhoff law. The black body. The grey body. Heat exchange between black or grey surfaces. Radiation shields. COMBINED HEAT TRANSFER. Heat transfer between two fluids separated be a plane or cylindrical wall. The critical insulation radius. Fins. Transient heat transfer. Heat exchangers. FLUID MACHINES ENERGY PRODUCTION AND THERMODYNAMICS HINTS. Introduction. Historical background and machines classification. Energy production: availability and exploitation methods of natural sources. Equivalence Principle for closed and open systems, and Conservation Principle of evolution. Joule's experiment. One-dimensional energy equation for open and closed systems in the thermal and mechanical form. FLUIDS TECHNICAL CHANGES. The ideal gas law, specific heat at constant pressure and constant volume, Law of Mayer, Main functions of state. Thermodynamic processes (isobaric, isochoric, isothermal, adiabatic, isentropic and polytropic) and their representation on thermodynamic diagrams. Work calculation in compression and expansion processes (isobaric, isochoric, isothermal, adiabatic isentropic and polytropic). FLUIDS FLOW IN DUCTS WITH EXCHANGE OF ENERGY. Introduction to outflows in ducts. Fundamental equations for efflux. Lagrangian and Eulerian analysis. One-dimensional theory. De Saint Venant equation. Local sound speed and Mach number. Properties of stagnation. Study of compressible fluid outflow in ducts of variable section. Hugoniot equations, adiabatic spills with friction. Parameters of stagnation and critical speed. Dynamic pressure in compressible and incompressible fluids. Outflow conditions in simply convergent, divergent and convergent-divergent ducts. Stodola cone. Sizing a nozzle. Critical and outlet section sizing. Terms of outflow subsonic, sonic and supersonic in convergent-divergent and convergent ducts. On-design and off-design conditions in De Laval nozzle. OUTFLOW IN TURBOMACHINERY DUCTS. Outflow of fluid inside ducts of turbomachinery. Efflux in the rotor and stator blading. Mechanical equation of the pulse. Moment of momentum. Euler equation for turbomachines. Power exchanged between fluid and blades. Energy equation applied to mobile ducts. Performance of the rotor ducts. Internal rate. The degree of reaction.