Indice degli argomenti del corso. Macchine operatrici: Pompe e compressori

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1 Indice degli argomenti del corso Macchine operatrici: Pompe e compressori 71

2 Parte 2 DEFINIZIONI INIZIALI 72

3 Sommario Definizione di macchina e impianto motore Fonti energetiche geotermica solare Combustibili: solidi, liquidi, gassosi idraulico nucleare previsioni future Richiami sulle trasformazioni di scambio di energia sotto forma di lavoro e calore Gli impianti motori termici: Definizioni Rendimenti 73

4 Definizioni James Clark Maxwell Lavoro: l atto di produrre un cambiamento di configurazione in un sistema Energia la capacità di compiere lavoro Principio di conservazione: L energia totale di qualsiasi sistema materiale è una quantità che non può né essere aumentata né diminuita da qualsiasi azione tra le parti del sistema, benché possa essere trasformata in una qualsiasi delle forme di cui l energia è suscettibile 74

5 Forme dell energia Chimica/Nucleare Termica Elettrica Meccanica

6 Trasformazioni dell energia Chimica/Nucleare Reazioni Fusione Fissione Combustione Fuel Cells Batterie Elettrolisi Diffusione fotovoltaico Peltier Termionico MHD Resistenza Scarica Termica Termoforesi Motori Termici Frizione Elettrica Motori Generatori Meccanica

7 Definizioni preliminari Macchina: elemento sede di scambio di lavoro e calore usualmente parte di un sistema più complesso detto impianto Impianto insieme di macchine e componenti che sfruttando fonti energetiche naturali trasformano l energia potenziale di un fluido in energia meccanica esempio: una centrale idroelettrica trasforma l energia potenziale (posizionale) dell acqua in energia meccanica 77

8 Stadi di trasformazione dell energia Fonti energetiche Stadio 1 Trasporto Stadio 2 Conversione Stadio 3 Trasmissione e distribuzione Stadio 4 Utilizzo finale Stadio 5 78

9 The Energy Flow path

10 The energy efficiency gap

11 Energia Si presenta in natura in forme diverse energia chimica energia meccanica: Fonti di Energia» energia cinetica, che corrisponde al lavoro esterno che un corpo di massa m e di velocità v, rispetto a un dato sistema di riferimento, può compiere fermandosi rispetto allo stesso sistema di riferimento 1 E mv 2» Nel caso di moto rotatorio di un corpo dotato di velocità angolare ω e momento d inerzia J rispetto ad un dato asse di rotazione, l energia cinetica è espressa da: 1 E J

12 Fonti di Energia energia potenziale: l energia di un corpo relativa alla sua posizione, riferita a un dato sistema di riferimento, in un campo di forze esterne al corpo considerato. gravitazionale un corpo sopra la superficie terrestre ha un energia di posizione rispetto alla Terra, perché si trova nel campo della gravità o della forza peso che ammette un potenziale. E=mg h energia termica; energia nucleare energia elettromagnetica Nei fenomeni naturali è soggetta a trasformazioni continue (nel rispetto del principio di conservazione); La disponibilità di energia meccanica e la capacità di trasformare altre forme di energia in energia meccanica è un indicatore dello sviluppo tecnologico; 82

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14 Fonti di Energia ERA DELLE MACCHINE: nasce con la scoperta e lo sviluppo di processi mediante i quali l energia prodotta da un processo di combustione si trasforma in lavoro meccanico Enorme accelerazione dello sviluppo della tecnica Lo sviluppo delle macchine è inoltre facilitato dalla individuazione di nuove fonti primarie di energia che si affiancano al carbone petrolio e suoi derivati energia idraulica energia nucleare 84

15 Fonti di energia Rinnovabili e non Rinnovabili se l energia viene sostituita con una velocità confrontabile con quella con cui viene consumata allora viene definita rinnovabile 85

16 Fonti di Energia Non rinnovabili Combustibili Fossili Petrolio Carbone Gas Naturale Nucleare Rinnovabili Idroelettrico Geotermico Biomasse Maree Moto Ondoso Solare Eolico 86

17 Stato delle rinnovabili in EU27 Produzione e Potenza rinnovabile nel 2010 Fonte GSE 87

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19 Stato delle rinnovabili in Italia Produzione lorda Fonte: GSE

20 Fonti di Energia Classificazione delle fonti energetiche una fondamentale classificazione energia termica energia meccanica Energia termica: Energia Solare: fornita dal Sole per irraggiamento e fortemente dipendente dalla latitudine e dalle condizioni climatiche Energia Geotermica E una forma di energia direttamente posseduta dal fluido prelevato dal sottosuolo con caratteristiche di elevata temperatura e pressione (6 ata e C). È disponibile in Italia, Islanda e in alcune zone dell America del nord. E piuttosto pregiata poiché è assolutamente gratuita 90

21 Fonti di Energia Combustibili Le sostanze che, sotto opportune condizioni, sono in grado di combinarsi (reagire) con un comburente o ossidante rilasciando calore L energia termica può essere rilasciata anche da reazioni nucleari Energia meccanica Potenziale energia immagazzinata in masse di acqua per le quali è possibile sfruttare l effetto della forza di gravità Cinetica associata al moto di masse di fluido Altre possibili classificazioni Fonti tradizionali e non tradizionali (è una definizione relativa) Fonti rinnovabili e non rinnovabili 91

22 Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori Macchine (a fluido): disciplina che studia dal punto di vista funzionale gli impianti e le macchine in grado di sfruttare le fonti di energia e che, attraverso l azione di un fluido sottoposto ad opportuni processi, trasformano tale energia in lavoro meccanico (generalmente disponibile ad un asse) Macchine motrici e macchine operatrici A seconda del verso in cui avviene tale trasformazione si hanno: macchine motrici Potenziale Termodinamica Energia Cinetica MACCHINA MOTRICE Lavoro Meccanico 92

23 Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori Macchine operatrici Lavoro Meccanico MACCHINA OPERATRICE Energia Potenziale Termodinamica Cinetica A seconda delle modalità con cui avviene la trasformazione di energia Macchine volumetriche Macchine dinamiche 93

24 Elementi funzionali delle macchine volumetriche e dinamiche

25 Classificazione 95

26 Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori La trasformazione in lavoro meccanico delle energie naturali primarie avviene negli impianti motori primi che in relazione al tipo di fonte energetica primaria sono: impianti termici; impianti idraulici; impianti eolici. Impianti termici a combustione interna o esterna GV T U CC C T U Schema Funzionale di Impianto a Vapore Schema Funzionale di Impianto a Gas 96

27 Energia Idroelettrica Fonte di energia disponibile come energia gravitazionale posseduta da masse di acqua. E una fonte di energia molto pregiata poiché caratterizzata dall essere rinnovabile e dalla possibilità di ottenere una trasformazione con rendimenti molto elevati (non vi è il passaggio attraverso l energia termica) L impianto è costituito da diversi componenti (non sempre tutti presenti) 97

28 Impianti idroelettrici Diverse tipologie ad accumulo; ad acqua fluente ad accumulo con pompaggio Diverse tecnologie Idraulico di elevata potenza Mini e micro hydro 98

29 Energia Geotermica Un impianto geotermoelettrico ha la funzione di trasformare in energia elettrica l energia termica presente nel fluido geotermico (vapore d acqua oppure una miscela di acqua e vapore) che si forma grazie al contatto dell acqua con strati di roccia calda. La peculiarità dei bacini geotermoelettrici sfruttati da tali impianti è dovuta al fatto che il fluido geotermico è disponibile (a condizioni di temperatura e pressione sufficienti), a profondità relativamente modeste (da poche decine di metri fino a qualche migliaio di metri). Fonte: Treccani ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI 99

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31 Schema di impianto 101

32 Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori Impianti geotermici 102

33 La centrale geotermica

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35 Principali aree geotermiche, con indicati i campi che producono energia geotermoelettrica. Fonte: Treccani ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

36 Capacità geotermica installata 106

37 Geotermia a bassa entalpia Sistemi a pompa di calore che utilizzino le acque di falda o il sottosuolo per scambiare il calore con l ambiente possono essere utilizzate praticamente dovunque. 107

38 Geotermico a bassa entalpia 108

39 Energia solare Budget energetico annuale per l en. solare: J Source: 109

40 Potenziale per l energia solare Source: 110

41 Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori Impianti solari due tipologie: a concentrazione o a trasformazione diretta in energia elettrica (fotovoltaico) 111

42 Il fotovoltaico L energia del sole può essere trasformata in energia elettrica mediante gli impianti fotovoltaici Pannelli fotovoltaici per pompaggio acqua

43 Energia eolica Potenza estraibile da una corrente di aria in moto: P 1 3 c A 2 Energia prodotta: A C E P tempo

44 Potenziale eolico di superficie Estimated energy output in kwh/kw from a wind turbine that are dimensioned for 11 m/s 114

45 Impianti eolici Criteri di classificazione delle macchine a fluido e degli impianti motori 115

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47 Schema di un aerogeneratore

48 Taglie e tipologie di impianto Off-shore Mini eolico 118

49 Energia dal mare Energia cinetica e potenziale delle onde Energia delle correnti 119

50 Potenza estraibile dalle onde L energia delle onde può essere considerata una forma concentrata di energia solare nella quale I venti generati dal differente riscaldamento della superficie terrestre soffiano sulle masse di acqua trasferendo loro una parte del loro contenuto di energia. La quantità di energia trasferita e quindi l altezza delle onde dipende dalla velocità del vento, il tempo durante il quale questo soffia e la distanza a dispositione ( fetch ). In questo modo l originale densità di potenza media viene incrementata di diversi ordini di grandezza. J Ec 1 ga 2 2 g c g [kw/m] Group Velocity c g a 120

51 Energia delle onde Source: Wave Energy paper. IMechE, 1991 and European Directory of Renewable Energy (Suppliers and Services)

52 Diverse tecnologie

53 Energia dalle correnti marine Analogo dei sistemi eolici, sfrutta l energia cinetica delle correnti marine Velocità intermedie ma densità del fluido molto maggiore

54 Combustibili Tutte le sostanze che, sotto opportune condizioni, sono in grado di combinarsi (reagire) con un comburente o ossidante rilasciando calore prendono il nome di combustibili. Caratteristica fondamentale di un combustibile è il suo potere calorifico superiore H s Quantità di calore sviluppata dalla combustione completa di 1 kg di combustibile Di utilizzo pratico il potere calorifico inferiore H i che tiene conto del calore effettivamente disponibile (eliminando il calore di condensazione del vapore d acqua presente nei prodotti di combustione) 124

55 Combustibili Combustibili fossili prodotti dalla trasformazione di materiale organico in assenza di ossigeno e in presenza di elevate pressioni durante le ere geologiche sono composti fondamentalmente da Carbonio ed Idrogeno con la presenza in quantità minori di altri composti (Acqua, Zolfo, Azoto, etc.) in misura inversamente proporzionale all era di formazione. Da un punto di vista industriale sono caratterizzati oltre che dal potere calorifico dal costo, dalla disponibilità. dalla trasportabilità, dalla velocità di combustione, dalla produzione di inquinanti. 125

56 Combustibili Combustibili solidi: Esclusa la legna il combustibile solido principale è il carbone fossile che, in relazione all epoca di formazione, si distingue in antracite, litantrace, lignite e torba. Hanno a lungo rappresentato il combustibile per eccellenza e dopo un periodo di minore interesse principalmente legato a problemi di natura ambientale (zolfo) stanno nuovamente tornando di interesse per applicazioni ad elevato rendimento e a basso impatto ambientale Carbonio % Idrogeno % Ossigeno % Azoto % H s KJ/kg Torba Lignite Litantrace Antracite

57 Combustibili Combustibili Liquidi Tutti derivati dalla distillazione del petrolio greggio le cui caratteristiche dipendono molto dal paese di origine. Sottoposto a distillazione frazionata viene separato in frazioni di qualità differente Oli pesanti (Td C), Oli medi (Td C) gasolio ( 42 MJ/kg), kerosene Oli leggeri (Td minori di 200 C) ( benzine 43 MJ/kg) generalmente sottoposte ad ulteriori trattamenti termo chimici che ne migliorano le proprietà 127

58 Distillazione del petrolio 128

59 Combustibili Gassosi GPL: Gas di petrolio liquefatto derivato da processi di cracking termico del petrolio una miscela ovvero un insieme di diversi idrocarburi paraffinici, o alcani, a basso peso molecolare La composizione del GPL non è definita esattamente, e le specifiche di fornitura hanno dei margini per quanto riguarda la composizione e la densità stessa. Il potere calorifico non deve essere inferiore a 45,8 MJ/kg, con un contenuto di zolfo massimo di 50 ppm. I componenti sono comunque compresi tra C3 e C5. I componenti tipici sono butano, propano e pentano, essendo il propano il componente principale. Gas Naturale E il combustibile più puro essendo costituito quasi esclusivamente da metano con piccole quantità di propano. Ha un potere calorifico inferiore di circa 34,5 MJ/m 3 a T=0 C e p=1 atm. E piu leggero dell aria e ha il minore rapporto tra gli atomi di carbonio e quelli di idrogeno nella molecola. 129

60 Processo di combustione Caratteristica comune nell utilizzo di tutti i combustibili è il processo di combustione mediante il quale l energia potenziale chimica del combustibile stesso viene rilasciato sotto forma di energia termica che può essere utilizzata per aumentare l energia termodinamica di un fluido La caratteristica di interesse è il potere calorifico 130

61 Calcolo del potere calorifico Reazione chimica A + B C + calore Reazioni tra i composti elementari: 1 kg di carbonio + O Anidride Carbonica CO kj 1 kg di idrogeno + O Vapore d Acqua H 2 O kj 1 kg di zolfo + O Anidride Solforosa SO kj Calcolo del potere calorifico superiore (ipotesi di Dulong) H s C H O / S [ kj / kg] e quindi il potere calorifico inferiore (assumendo r= 2440 kj/kg) H i H s (9H % H 2O) [ kj / kg] 131