Obiettivi Formativi

Oggigiorno, i sistemi di trasmissione e conversione dell’energia nelle sue differenti forme risultano essere di primaria importanza per la società moderna. Pertanto, si richiede che uno studente iscritto ad un Corso di Laurea in Ingegneria Industriale abbia 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 ed utilizzazione. Il corso si propone l’obiettivo di fornire le basi per il dimensionamento e la progettazione di macchine, che utilizzano un fluido come vettore, in grado di convertire le differenti forme di energia al fine di permettere la soluzione di problemi semplici e di media complessità. L’insegnamento si pone, quindi, l’obiettivo di far acquisire la piena comprensione delle trasformazioni che portano alla conversione dell’energia focalizzando l’attenzione sui sistemi aperti; di far acquisire la capacità di applicare le metodologie di risoluzione più adeguate per il dimensionamento delle macchine a fluido, oggi più comunemente utilizzate, nell’ambito dei sistemi per la conversione dell’energia e di correlare il funzionamento di ogni singola macchina studiata con le trasformazioni termodinamiche di riferimento. Il corso si propone, inoltre, di far sviluppare la capacità di formulare, analizzare e risolvere, attraverso un metodo scientifico rigoroso, problemi inerenti le macchine a fluido utilizzando tecniche e strumenti adeguati con l’analisi di esempi pratici o applicazioni ed esercitazioni da svolgere sia individualmente che in gruppo. Il corso di propone, infine, di far sviluppare la capacità di elaborazione autonoma dei concetti trattati nel corso e di presentazione dei risultati tramite l’utilizzo di un linguaggio tecnico appropriato. A tale scopo, durante le ore di studio individuale, lo studente del corso sviluppa la capacità di apprendere i concetti trattati durante le lezioni frontali e le esercitazioni ed è in grado di identificare, formulare, analizzare e risolvere problemi utilizzando metodi, tecniche e strumenti adeguati.

Learning Goals

Nowadays, energy transmission and conversion systems in its different forms are of primary importance for modern society. Therefore, a student in Industrial Engineering is required to have a background of basic knowledge of energy and of aspects associated with its use, transmission and conversion between the different forms as well as the devices responsible for its production and use. The course aims to provide the bases for sizing and designing machines, which use a fluid as a vector, capable of converting different forms of energy in order to allow the solution of simple and medium complexity problems. Therefore, the course aims to acquire full understanding of the transformations that lead to energy conversion by focusing attention on open systems; to acquire the ability to apply the most appropriate resolution methodologies for the sizing of the most commonly used fluid machines and to correlate the operation of each individual machine studied with the thermodynamics transformations. the course aims to develop the ability to formulate, analyse and solve, through a rigorous scientific method, problems inherent to fluid machines using appropriate techniques and tools with the analysis of practical examples or applications and exercises. The course aims to develop the ability to autonomously elaborate the concepts covered by the course and to present the results through the use of an appropriate technical language. For this purpose, during the individual study, the student of the course must develop the ability to learn the concepts covered during the frontal lessons and exercises and be able to identify, to formulate, to analyse and to solve problems using adequate methods, techniques and tools.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula effettuate coinvolgendo gli studenti nella risoluzione di problemi alla lavagna.

Teaching Methods

Lectures in the classroom and exercises in the classroom carried out by involving students in solving problems on the blackboard.

Prerequisiti

Conoscenze di base di Analisi Matematica (concetti di limite, derivata, integrale, equazioni differenziali), conoscenze di fisica (concetti di forze ed equilibrio), conoscenze di geometria (concetti di trigonometria), conoscenze di meccanica razionale (quantità di moto, momento di quantità di moto, impulso) e conoscenze di fisica tecnica (trasformazioni termodinamiche, concetti di calore e lavoro e trasferimento di calore.

Prerequisites

Knowledge in mathematical analysis (concepts of limit, derivative, integral and differential equations), physics (concepts of force and equilibrium), geometry (concept of trigonometry), rational mechanics (momentum, angular momentum and impulse), technical physics (thermodynamic transformations, concept of Heat and Power and heat transfer).

Verifiche dell'apprendimento

Verranno effettuate 2 o 3 prove scritte di verifica intermedia durante il corso. Il superamento di tutte le prove di verifica intermedia consentirà di accedere direttamente alla prova orale, che dovrà essere sostenuta improrogabilmente in uno degli appelli appartenenti alla prima sessione d’esame dopo la fine del corso. Per chi non avesse sostenuto o superato tutte le prove di verifica intermedia, le modalità di verifica dell’apprendimento saranno effettuate mediante una prova scritta, il cui superamento consentirà di proseguire l’esame tramite il colloquio orale. La prova scritta consiste nella risoluzione di esercizi di dimensionamento dei componenti delle macchine a fluido studiate durante il corso al fine di poter valutare l’acquisizione da parte dello studente della capacità di formulare, analizzare e risolvere problemi inerenti l’insegnamento. La prova orale, che dovrà essere sostenuta improrogabilmente nello stesso appello in cui è stata superata la prova scritta, consiste nell’esposizione degli argomenti trattati durante il corso al fine di poter valutare l’acquisizione, da parte dello studente, degli argomenti trattati durante il corso mediante l’utilizzo del linguaggio tecnico specifico.​​​​​​​ Il voto finale sarà determinato dalla valutazione complessiva sia dell’elaborato scritto che della prova orale sostenuta e sarà commisurato al raggiungimento degli obiettivi proposti dal corso (acquisizione dei concetti teorici e delle modalità di risoluzione numerica, proprietà di linguaggio, capacità di elaborazione autonoma e collegamento tra i vari argomenti trattati, ecc.).

Assessment

Two or three mid-term written tests will be carried out during the course. Passing all intermediate tests will allow direct access to the oral test, which must be taken in the first exam session after the end of the course. For those who have not taken or passed all the intermediate verification tests, the learning verification procedures will be carried out by means of a written test, the passing of which will allow the examination to continue through the oral exam. The written test consists in solving the sizing exercises of the fluid machine components studied during the course in order to be able to evaluate the student's acquisition of the ability to formulate, analyze and solve teaching problems. The oral exam, which must be taken in the same session in which the written exam was passed, consists in exposing the topics covered during the course in order to be able to evaluate the student's acquisition of being able to know the topics covered during the course by using the specific technical language.​​​​​​​ The final mark will be determined by the overall assessment of both the written and the oral exam taken and will be commensurate with the achievement of the objectives proposed by the course (acquisition of the theoretical concepts and numerical resolution methods, language properties, autonomous processing capacity and connection among the various topics, etc ...).​​​​​​​

Programma del Corso

- INTRODUZIONE AL CORSO - 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. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. - 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. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. - 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. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. - 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. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. - COMPRESSORI VOLUMETRICI ALTERNATIVI: Funzionamento limite. Funzionamento reale. Dimensionamento di massima. Regolazione della portata. Risoluzione di esercizi di dimensionamento.

Course Syllabus

- INTRODUCTION - REQUIREMENTS AND ENERGY PRODUCTION - THERMODYNAMICS RECALLS - TECHNICAL TRANSFORMATIONS OF FLUIDS: Thermodynamic transformations and their representation on the thermodynamic planes. Work calculation. - FLUIDS FLOW IN DUCTS WITH ENERGY EXCHANGE: Outflow Cardinal Equations. De Saint Venant Equation. Local sound speed and Mach number. Property of stagnation. Outflow of compressible fluids in ducts with variable section. Hugoniot equations. Convergent, divergent and convergent-divergent conduits. Cone of Stodola. - OUTFLOW IN TURBOMACHINE DUCTS: Mechanical impulse equation. Moment of momentum. Euler equation for turbomachines. Internal efficiency of a drive and operating turbomachinery stage. Degree of reaction of a stage. Solving sizing exercises. - STEAM TURBINES: Axial single stage: action, reaction. Speed triangles. Multi-stage steam turbines: pressure jumps, speed jumps. Adjustment. Solving sizing exercises. - SIMILITUDE THEORY - HYDRAULIC TURBOMACHINES: Hydraulic turbine configurations. Powers and returns. Pelton, Francis and Kaplan turbines: velocity triangles, internal efficiency. Distributor and spiral case. The regulation. Energy recovery at the discharge of the hydraulic turbines. Cavitation. Solving sizing exercises. - OPERATING TURBOMACHINES: Dynamic compressors. Theoretical feature with infinite blades, theoretical with "z" blades and real with "z" blades. Losses. Smooth and bladed diffusers. Centrifugal multi-stage compressors. Axial compressors. Internal efficiency. Hydraulic operating machines. External and internal mechanical characteristic. Matching. Cavitation, pumping and stall. Centrifugal fans. Axial turbomachinery. Solving sizing exercises. - ALTERNATIVE VOLUMETRIC COMPRESSORS: Limit operation. Real operation. Rough sizing. Flow regulation. Solving sizing exercises.