Risposte alle domande d'esame

Modalità di svolgimento dell’esame

L’esame è sostanzialmente una prova orale. Però, per rendere più veloce la procedura nel caso di appelli con numero elevato di iscritti, l’orale può essere preceduto da un pre-esame in cui allo studente vengono assegnate delle domande del tipo di quelle riportate nell’elenco DOMANDE PRE-ESAME di seguito riportato, a cui dovrà dare risposta prima di accedere all’orale.

L’elaborato risultante dal pre-esame verrà analizzato dal docente nel giorno stesso della prova e costituirà la base di partenza per l’orale. Le domande poste all’orale saranno del tipo di quelle riportate nell’elenco DOMANDE ORALE di seguito riportato.

Raccomandazioni generali

Nello scrivere una relazione si pensi come prima cosa al concetto fisico che si intende esprimere e quindi alle unità di misura ad esso associate, una domanda comune e pertinente a tutti gli argomenti potrà essere quella di procedere all’analisi dimensionale delle relazioni scritte per verificarne la correttezza. Le relazioni che esprimono il principio di conservazione dell’energia nelle varie forme esposte durante il corso costituiscono la base per l’analisi delle macchine e dei sistemi energetici trattati ed è quindi indispensabile conoscerle e saperle applicare.

Esercitarsi nel disegnare in maniera comprensibile ed essenziale gli schemi di base che rappresentano le macchine e gli impianti trattati nel corso. E’ importante acquisire una sensibilità numerica per sapere definire l’ordine di grandezza di:

• rendimento di una turbina idraulica
• rendimento di una pompa centrifuga
• rendimento di un motore a combustione interna
• rendimento di un impianto a vapore
• rendimento di un impianto turbo-gas
• rendimento di un generatore di vapore
• pressioni di caldaia di un impianto turbo-vapore
• temperatura di surriscaldamento del vapore
• pressione di condensazione di un impianto a vapore
• rapporto di compressione di un impianto turbo-gas
• espansione inversa turbina a gas TIT

E’ opportuno ricordare alcune grandezze numeriche di uso comune nel settore come:

• Potere calorifico inferiore benzina = 44 MJ/kg
• Rapporto aria-combustibile stechiometrico benzina = 14.6
• Potere calorifico inferiore CH₄ = 50 MJ/kg
• Rapporto aria-combustibile stechiometrico CH₄ = 17.4
• Densità dell’acqua = 1000 kg/m³
• Pressione di saturazione dell’acqua a circa 32.9°C = 0.05 bar
• Pressione atmosferica normale o standard 101325 Pa
• Densità aria alla pressione atmosferica e 0°C temperatura = 1.3 kg/m³
• Densità aria e come valutarla in base alle condizioni di pressione e temperatura considerando un gas ideale (costante dell’aria Ra = 287 J/ (kg K) )
• Calore specifico dell’H2O a temperatura ambiente = 4.186 kJ/ (kg K)
• Calore specifico dell’aria a temperatura ambiente = 1.05 kJ/ (kg K)

ELENCO DOMANDE PRE-ESAME ( di norma tre domande scelte tra le seguenti).

Impianti a vapore

1. Tracciare sul diagramma termodinamico T-s il ciclo di un impianto con surriscaldamento e risurriscaldamento e 3 spillamenti. Associare al diagramma termodinamico lo schema impiantistico con i punti caratteristici corrispondenti.
2. Tracciare il diagramma di scambio del generatore di vapore della figura assegnata

3- Bilancio energetico a scatola chiusa di un generatore di vapore. Espressione diretta e indiretta del rendimento e indicazione numerica dei termini rappresentati.

Impianti a gas

1. Tracciare sul diagramma termodinamico T-s il ciclo di un impianto a gas. Associare al diagramma termodinamico lo schema impiantistico con i punti caratteristici corrispondenti. Determinare l’espressione del lavoro specifico con le seguenti assunzioni: fluido ideale, assenza di perdite di carico, macchine reali con rendimento isoentropico assegnato

Turbina Pelton

1. Disegnare lo schema del distributore e di una pala di una turbina Pelton e tracciare i triangoli di velocità in condizioni di massimo lavoro
2. Tracciare i diagrammi dei carichi totali, piezometrici e geodetici di un impianto idroelettrico con turbina Pelton indicando il salto utile

Pompa centrifuga

1. Disegnare la sezione meridiana e la vista frontale di una girante di una pompa centrifuga. Tracciare sulla vista frontale i triangoli di velocità coerenti alle pale (in particolare minimizzando le perdite di imbocco in girante). Scrivere la portata che attraversa la girante riferendosi alle condizioni nella sezione di uscita.
2. Tracciare i diagrammi dei carichi totali, piezometrici e geodetici di un impianto di sollevamento acqua indicando la prevalenza.
3. Individuare sul piano H-Q il punto di funzionamento di una pompa centrifuga operante in un generico impianto. Distinguere i casi
• A) di circuito chiuso
• B) circuito di collegamento di due serbatoi a diversa quota aperti all’atmosfera
• C) circuito di collegamento di due serbatoi a diversa quota e pressione diversa.

Compressore alternativo

1. Tracciare sul diagramma termodinamico p-Vtot il ciclo ideale di un compressore volumetrico alternativo di volume morto Vm. Determinare l’espressione del coefficiente di riempimento ed individuare sul diagramma il ciclo a rapporto di compressione limite.

Motore a combustione interna

1. Tracciare sul diagramma p-Vtot il ciclo di riferimento di un motore a combustione interna ideale a 4T (con somministrazione del calore isocora). Numerati i punti caratteristici individuare le fasi di realizzazione del ciclo e per ciascuna scrivere il bilancio energetico.
2. Tracciare sul diagramma p-Vtot il ciclo di riferimento di un motore a combustione interna ideale a 4T (con somministrazione del calore isocora) regolato per quantità. Scrivere le espressioni dei lavori del ciclo motore e di pompaggio.
3. Tracciare sul diagramma p-Vtot il ciclo di riferimento di un motore a combustione interna ideale a 4T (con somministrazione del calore isocora) sovralimentato. Scrivere le espressioni dei lavori del ciclo motore e di pompaggio.

BOZZA DELLE DOMANDE CHE VERRANNO POSTE ALL’ORALE

Macchine dinamiche

1. Illustra le ipotesi che stanno alla base del modello quasi-unidimensionale per la descrizione del comportamento di una macchina dinamica e scrivi l’equazione di conservazione dell’energia.
2. Scrivi e commenta per un caso stazionario l’equazione che esprime il principio di conservazione dell’energia in forma differenziale meccanica. Applicala poi ad un diffusore di una pompa centrifuga / al distributore di una turbina Pelton / ad un diffusore di una pompa centrifuga / ad un tratto di tubazione a sezione costante evidenziando cosa si intende per perdita di carico distribuita
3. Ricava, per analogia con quella espressa per un osservatore fisso, l’equazione che esprime il principio di conservazione dell’energia in forma differenziale meccanica per un osservatore solidale ad una girante che ruota a velocità angolare costante.

1- Disegna lo schema impiantistico dell’impianto con tre spillamenti e il corrispondente ciclo sul diagramma termodinamico Temperatura-Entropia. Indica la procedura per trovare il grado di rigenerazione che garantisce il massimo guadagno di rendimento rispetto al ciclo di base.

2- Disegna lo schema impiantistico dell’impianto con tre spillamenti e il corrispondente ciclo sul diagramma termodinamico Temperatura-Entropia. Traccia qualitativamente l’andamento del guadagno di rendimento rispetto al ciclo base senza spillamenti. (con 1,2,3, … N spillamenti)

3- Indica quali sono le principali tecniche adottate per realizzare impianti a vapore ad elevato rendimento. Si parta per aumentare da un ciclo Rankine (a vapore saturo) con condensazione a pressione atmosferica.

4- Una volta definito il rendimento di un generatore di vapore nella sua forma diretta, trovare l’espressione indiretta dello stesso rendimento.

5- Come è influenzato il rendimento di un ciclo a vapore dalla pressione di condensazione? Quali vincoli condizionano la pressione di condensazione? Quali valori tipici di pressione di condensazione si hanno nel caso di condensatore ad acqua ?

6- Giustificare il fatto che in un impianto a vapore il lavoro di pompaggio è, in prima approssimazione, trascurabile rispetto al lavoro ottenuto in turbina.

7- Quando risulta indispensabile la pratica di ri-surriscaldare il vapore e perché? Che effetto ha il ri-surriscaldamento sul rendimento di ciclo ?.

8- Indicare il procedimento che si può seguire per determinare la temperatura di uscita dei fumi dalla camera di combustione di un generatore di vapore.

9- Come può essere valutato il rendimento di più cicli in parallelo ? Utilizzare tale suddivisione per evidenziare: l’effetto degli spillamenti in un ciclo a vapore; l’effetto sul rendimento dell’aggiunta di un riusrriscaldamento ad un ciclo a vapore surriscaldato

10- Come può essere valutato il rendimento di più cicli in parallelo ? Utilizzare tale suddivisione per evidenziare: l’effetto degli spillamenti in un ciclo a vapore; l’effetto sul rendimento dell’aggiunta di un risurriscaldamento ad un ciclo a vapore surriscaldato

Impianti TurboGas

1- Disegnare lo schema impiantistico di un impianto turbogas monoalbero e il corrispondente ciclo sul diagramma termodinamico Entalpia-Entropia.Trovare l’espressione del rendimento termodinamico sia nel caso ideale (fluido ideale e ciclo ideale) che reale (fluido ideale ma turbina e compressore reali).

2- Assegnata la Temperatura di Ingresso Turbina (TIT) discuti l’effetto del rapporto di compressione sul lavoro e sul rendimento di un ciclo TG. Cosa succede se si varia la TIT ?

3- Come può essere graficamente determinata la temperatura di uscita dalla camera di combustione di un impianto turbogas ?

4- Assegnati i rendimenti politropici del compressore e della turbina, il rapporto di compressione e le temperature di ingresso delle macchine valutare le temperature di uscita considerando il fluido trattato come un gas ideale. Valutare infine i rispettivi rendimenti isentropici.

5- Come può essere graficamente determinata la temperatura di uscita dalla camera di combustione di un impianto turbogas ?

6- Come può essere valutato l’eccesso d’aria da utilizzare in una camera di combustione di un impianto turbogas. Evidenziare la differenza con quanto succede in un generatore di vapore.

7- Rendimento politropico (espansione)Tracciare su di un diagramma Temperatura-entropia una trasformazione di espansione mettendo in evidenza le differenze tra adiabatica reale, isentropica e politropica. Utilizzando il disegno realizzato chiarire il concetto di recupero e definire il rendimento politropico ed isentropico di espansione. Indicare qualitativamente la loro eventuale dipendenza dal rapporto di espansione.

8- Rendimento politropico (compressione)Tracciare su di un diagramma Temperatura-entropia una trasformazione di compressione