Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e ... - Valentiniweb.com

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Cap.14 –Principi di funzionamento delle macchine a fluido 14.1 Introduzione Fino a questo momento, abbiamo considerato le turbine, i compressori e le pompe come “scatole nere”: ci siamo limitati ad applicare i bilanci termodinamici ai loro ingressi ed alle loro uscite senza preoccuparci dei loro principi di funzionamento, ed in particolare dei meccanismi fisici che consentono la trasformazione dell’energia interna del fluido in energia meccanica o viceversa. In questo capitolo, verranno esposti i principi fondamentali alla base di tali meccanismi fisici. 14.2 Macchine volumetriche e macchine dinamiche Abbiamo già operato una distinzione delle macchine in macchine motrici (che convertono l’energia del fluido in energia meccanica) e macchine operatrici (che operano la trasformazione opposta). Nelle prime rientrano i motori alternativi e le turbine; le seconde sono usualmente distinte in pompe (se operano su un liquido) e compressori se operano su un gas. Una classificazione indipendente dalla precedente divide le macchine in rotative (quando gli organi di conversione sono animati da moto rotatorio) o alternative (con organi di conversione animati di moto alterno). Infine, per gli scopi che ci prefiggiamo in questo capitolo, le macchine a fluido possono essere divise in due categorie principali: macchine volumetriche (o statiche) e macchine dinamiche (o turbomacchine). Nelle macchine volumetriche, il fluido è racchiuso in un volume che cambia periodicamente di forma (una pompa da bicicletta è un esempio calzante): la conversione deriva dalle forze di pressione, di natura essenzialmente statica, che si esercitano sulle pareti mobili. Nelle macchine dinamiche (rappresentate ad es. da un ventilatore) le forze sugli organi mobili sono causati dalla variazione del vettore velocità (in modulo e direzione) del fluido e sono quindi intrinsecamente connesse al moto dello stesso. E’opportuno rimarcare come le tre classificazioni siano indipendenti tra di loro. Ad esempio, una turbina è una macchina motrice, rotativa e dinamica. Una pompa a pistoni è una macchina operatrice, alternativa, statica; ma una pompa ad ingranaggi è una macchina operatrice, rotativa, statica. Infine, una motrice a vapore a stantuffo (caduta oggi in disuso) è un esempio di macchina motrice, alternativa, statica. Tutte le macchine a fluido possono trattare sia liquidi che aeriformi. I principi di funzionamento sono gli stessi. Tuttavia in particolari condizioni operative possono insorgere problematiche di natura differente: nel caso di aeriformi, ad alto numero di Mach si possono avere effetti dovuti alla comprimibilità del fluido; nel caso di liquidi, in vicinanza della temperatura di saturazione od in presenza di gas disciolti si possono creare delle sacche gassose (il fenomeno viene detto cavitazione) che perturbano notevolmente il funzionamento della macchina e/o ne danneggiano gli organi. Le principali caratteristiche delle macchine volumetriche e dinamiche sono riassunte nella Tab. 14-1. 14-2
Cap.14 –Principi di funzionamento delle macchine a fluido MACCHINE VOLUMETRICHE • Rotative o alternative. • Fluido periodicamente racchiuso in un volume. Portata pulsante nel tempo. • Scambio di energia dovuto alla pressione statica sulle pareti mobili. • Variazione di momento motore nel tempo. • Momento motore pressoché indipendente dalla velocità del fluido. • Forze alterne notevoli (per macchine alternative). • Basso rapporto potenza/massa della macchina. • Adatte per elevati rapporti di compressione e basse portate. MACCHINE DINAMICHE • Solo rotative. • Flusso continuo di fluido. Portata costante nel tempo. • Scambio di energia dovuto al moto relativo sugli organi mobili. • Momento motore o resistente pressoché costante. • Momento motore fortemente dipendente dalla velocità del fluido. • Assenza di forze alterne. Presenza di spinte assiali. • Elevato rapporto potenza/massa della macchina. • Adatte per rapporti di compressione relativamente bassi e portate elevate. Tabella 14-1: Caratteristiche salienti delle macchine volumetriche e dinamiche a confronto. 14.3 Tipologie e principi di funzionamento delle macchine volumetriche Le macchine volumetriche presentano una tipologia vastissima e non esauribile all’interno di questa trattazione: le più diffuse sono le pompe e compressori ad ingranaggi o a vite (di tipo rotativo) e le pompe e i compressori a stantuffo (di tipo alternativo). In questo paragrafo faremo riferimento alle macchine alternative. Nelle macchine alternative, il moto alternato dello stantuffo (pistone) è trasformato in moto rotatorio da un meccanismo biella-manovella, v. Fig.14-1. La biella PA è collegata al pistone tramite un perno detto spinotto; il punto P si dice anche piede di biella. Il componente AO è detto manovella. Il punto A (testa di biella o bottone di manovella) è animato di moto rotatorio che supporremo uniforme. L’albero motore ha asse passante per il punto O (cuscinetto di banco). La velocità del pistone (che corrisponde a quella del piede di biella) può essere ricavata derivando rispetto al tempo l’espressione PO = l cosϕ+ r cosθ (14.1) tenuto conto che lsin ϕ = rsin θ e che θ =ωsi ottiene approssimativamente v P ⎛ r ⎞ =ωr⎜ sen θ+ sen 2θ⎟ ⎝ 2l ⎠ (14.2) da cui risulta che per l >> r il pistone è animato di moto armonico. La velocità massima del pistone si raggiunge quando biella e manovella sono in quadratura, ovvero formano un angolo di 90°. 14-3
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Cap. 1. Nozioni introduttive di Ter
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Cap.8 - La cogenerazione fumi al ca
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Cap.8 - La cogenerazione Bisogna no
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Cap.8 - La cogenerazione 8.3. Princ
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Cap.8 - La cogenerazione vapore all
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Cap.8 - La cogenerazione Impianti c
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Cap.10 - I cicli termici delle macc
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Appendici R134a - Proprietà del li
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Appendici R134a - Liquido compresso
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Appendici R134a p = 0.30 [MPa] T v
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Appendici R600a - Isobutano Proprie
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Valori di c p , c v e k per vari ga
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Appendici APPENDICE 4 - Unità di m
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d) Unità di potenza Unità di misu
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Appendici V −3 3 1 = Mv1 = 1 ,5
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Appendici L tot = Q tot = 47 kJ Ese
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Appendici Esercizio 2.5 V 1 ⎛ 0.1
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T p 3 1−k k 3 = T p 2 1−k k 2 R
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Appendici Esercizio 2.17 T [°C] p
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Appendici t E ⎛ − ⎞ i( t) =
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Appendici Capitolo 4 Esercizio 4.1
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Appendici G ( s 2 GT ( c W = W ' t
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h − h η = ⇒ h = h −η h −
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Appendici In seguito all’espansio
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T G ( h − ) R 4 = T3 − ⋅ 2 h1
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Appendici 2 D Q = Aw = H πw 4 Da c
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Appendici Esercizio 5.6 −3 D = 20
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Appendici 4Q w = = 2, 21 m s D 2 H
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L’equazione di Bernoulli si può
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64 λ = c = = 0.1 Re 636 le perdite
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( a ) W c, min = G a f , i − f ,
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Appendici • il lavoro della turbi
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η = ( h − h4 ) − ( h2 − h1 )
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Appendici dove 1 ⎛ 1 s 1 ⎞ 1 Rt
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Appendici ESERCIZIO C.13 (1996, gru
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Appendici la tubazione può essere
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Domanda 2: La potenza resa dalle po
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Appendici 1. la portata di vapore n
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Gc 1 2 Gr 4 5 A C B Gs 6 Soluzione
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SOLUZIONI I valori numerici sono ot
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PROBLEMA 3 Domanda 1: Dalle tabelle
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