MACCHINE-Lezione1 introduzione

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1 MACCHINE-Lezione1 introduzione Dr. ParadisoBerardo Laboratorio Fluidodinamica delle Macchine Dipartimento di Energia Politecnico di Milano

2 Indice Informazioni generali Docenti Programma lezioni/esercitazioni Esame Testi di riferimento Classificazione delle macchine Breve introduzione al corso: perchè è importante studiare le macchine

3 Docenti e testi Dr. Berardo Paradiso Teoria Dr. Andrea Spinelli Esercitazioni Testi consigliati: G. Cornetti. Macchine Idrauliche. Il Capitello - Torino. R. Della Volpe. Macchine. LiguoriEditore. Esame: Prof. Sala, Prof.ssa Magrini

4 Strutturadel corso Il corso è diviso in due sezioni principali: 1) FONDAMENTI 1) Richiami di Fisica Tecnica(proprietà dei liquidi, I e II Principio della TDN, ) 2) Derivazione dei principi di conservazione per i sistemi fluenti(formulazione termica e meccanica) 3) Principi di funzionamento delle macchine(triangoli di velocità, lavoro Euleriano, cons. dell energia nel sistema relativo.) 4) Classificazione delle Macchine e Similitudine Idraulica 2) MACCHINE IDRAULICHE 1) Grandezze fondamentali di macchine operanti con fluidi comprimibili, cavitazione. 2) Impianti di pompaggio: componenti, caratteristiche interne -esterne, punto di funzionamento, stabilità, regolazione, scelta della pompa. 3) Pompe: tipi di pompe, curve caratteristiche, accoppiamento. 4) Turbine idrauliche: Pelton, Francis, Kaplan

5 Definizioni Macchina: insieme di organi meccanici, fissi e mobili, collegati fra loro e destinato alla trasformazione e allo scambio d'energia ω outlet w 2 u 2 Macchina a fluido: macchina dove gli scambi e le trasformazioni d'energia avvengono tramite interazione con un fluido che, perciò, risulta essere uno dei veicoli d'energia w 1 inlet u 1

6 Classificazione MODALITA DI TRASFORMAZIONE: Macchine statiche(scambiatori di calore, caldaie, ) sono prive di organi mobili ed hanno essenzialmente lo scopo di trasferire energia da un fluido ad un altro. Macchine dinamicheo fluidodinamichesono, invece, presenti organi in movimento (pareti mobili) che scambiano energia con un fluido; in esse si ha in genere una trasformazione di energia fluidodinamica in energia meccanica o viceversa. UTILIZZO: Macchine motrici in cui il fluido cede energia alla macchina Macchine operatrici in cui l energia è fornita al fluido.

7 Classificazione VOLUME DI CONTROLLO: Macchine volumetriche sono presenti camere a volume variabile e il fluido interagisce in modo pressoché statico coll'elemento mobile. Il moto del fluido è periodico e se la variazione ciclica del volume delle camere è ottenuta mediante un moto alternato dell'elemento mobile (pistoneo stantuffo) si parlerà di macchine volumetrichealternative. Se la variazione di volume è ottenuta mediante moto rotatorio dell'elemento mobile la macchine sarà detta volumetrica rotativa. Macchine a flusso continuo o turbomacchineil moto del fluido è pressoché stazionario e lo scambio energetico con gli elementi mobili della macchina (pale) avviene per variazione della quantità di moto e/o dell'energia cinetica del fluido; gli elementi mobili sono dotati di moto rotatorio.

8 Classificazione TIPO DI FLUIDO Macchine per fluidi incomprimibili(liquidi) o Macchineidrauliche dove i fenomeni termici in conseguenza di una variazione d'energia fluidodinamica (variazione di pressione, d'energia cinetica, ) sono trascurabili Macchine per fluidi comprimibili(gas e vapori) altrimenti dette macchine termichedove i fenomeni termici legati a variazioni d'energia fluidodinamica possono essere di notevole entità.

9 Classificazione Macchine idrauliche Macchine termiche Macchine operatrici Macchine motrici Macchine operatrici Macchine motrici Macchine volumetriche Pompe volumetriche Attuatori idraulici Compressori volumetrici Motori a combustione interna Turbomacchine o macchine a flusso continuo Pompe ventilatori Turbine idrauliche compressori Turbine a gas o a vapore

10 Classificazione GEOMETRIA Macchine assiali il flusso attraversa la macchina in direzione assiale; la traiettoria del fluido giace su superfici assiali; tra l ingresso e l uscita della girante il flusso mantiene inalterata la propria distanza dall asse Macchine radialiil flusso attraversa la macchina principalmente in direzione radiale; la traiettoria del flusso giace su superfici assialsimmetrichenon cilindriche. Tra ingresso e uscita della girante il flusso varia la distanza dall asse assumentoandamento centrifugo o centripeto.

11 Radial-flow turbomachine Mixed-flow turbomachine Axial-flow turbomachine

12 Machine idrauliche: esempi Operatrici Pompe volumetriche Turbomacchine: Pompe centrifughe e assiali

13 Macchineidrauliche: esempi Motrici Attuatori idraulici Motori idraulici Turbine (Pelton, Francis, Kaplan)

14 Macchineidrauliche: esempi

15 Macchineidrauliche: esempi

16 Macchineidrauliche: esempi

17 Macchineidrauliche: esempi

18 Perchè è importante studiare le macchine idrauliche?

19 Consumoenergetico World energy production by region (year Mtoe)

20 Consumoenergetico World energy consumption by region (year-mtoe)

21 Consumoenergetico

22 Consumoenergetico

23 Consumoenergetico World energy consumption by source (year Mtoe)

24 Consumoenergetico Regional consumption pattern (2009) Oil remains the world s dominant fuel, although it has lost market share over the last decade. Natural gas has the highest marked share in Europe. Coal is the dominant fuel in Asia-Pacific.

25 Usidell energia Final energy consumption by sector, total Energy consumption [MTOE] Other Services Households Industry Transportation

26 Usidell energia Final energy consumption by sector, percentage 120% 100% Other Energy consumption [MTOE] 80% 60% 40% 20% 0% Services Households Industry Transportation

27 Usidell energia Energy consumption for electricity generation and transport other Energy consumption [MTOE] Electricity Transporation

28 Usidell energia Energy consumption for electricity generation and transport, share 120% 100% other Energy consumption [MTOE] 80% 60% 40% 20% 0% Electricity Transporation

29 Conversionedell energia Risorse energetiche Chimica, potenziale, meccanica o termica Impianti Cicli termodinamici Turbine Compressori Motori a combustione interna Impianti idroelettrici Turbine idrauliche Energia disponibile agli utenti finali

30 Bilancio dell energia elettrica in Italia fonte GRTN (67 / 185 Mtep)

31 Importazione dell energia elettrica in Italia fonte GRTN (47 / 314 TWH)

32 Storico importazione energia italia

33 Curva durata della potenza CURVA DI DURATA DELLA POTENZA ELETTRICA RICHIESTA SULLA RETE NAZIONALE ANNO 2006 FONTE GRTN

34 Richiesta di potenza DATI STORICI PREVISIONE ENERGIA RICHIESTA 300 Energia prodotta, TWh PROD. PETROLIFERI GAS NATURALE CARBONE ALTRI COMBUSTIBILI POMPAGGIO RINNOVABILI IDROELETTRICO IMPORTAZIONI Anni

35 Curva oraria Geotermica Importazioni Fluente Serbatoio Bacino Termoelettrica Potenza, GW autoconsumi richiesta netta assorbimento pompaggi Ora

36 RUOLO DELLE TECNOLOGIE nella mitigazione delle emissioni di co2(enea 09) EFFICIENZA ENERGETICA uso finale residenziale/servizi (illuminazione, elettrodomestici,condizionamento efficiente) 16% industria(10%) Trasporti(miglioramento motori benzina/diesel, ibrido) 14% elettro-generazione( cicli combinati, ultracritici, gasificazione7%) IL SEQUESTRO DELLA CO2 (cicli CCS - Carbon Capture and Storage, maggior contributi previsto :20%) LE FONTI RINNOVABILI (20%) eolico: 4.5 % solare(pv+ termico a concentrazione) : 5.2% biocombustibili( biomasse 3.1% ; biocombustibili di 2 generazione : bioetanoloda idrolisi/e residui e residui agro/ind., residui urbani; biodiesel da processi fischertropsch(gas to liquids); 3 gen: colture microalgari: 4.6% ) idroelettrico + geotermico (3.1%) NUCLEARE( reattori di IV generazione 6%)

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