Lo sforzo massimo che può esercitare il pilota, per bilanciare il momento di cerniera

Transcript

1 Esami di Stato Prima Sessione Giugno 2008 PROVA PRATICA SCRITTA (caratterizzante la classe) CLASSE settembre 2008 Sez. B - Ingegneria INDUSTRIALE Tema n. 1 Si consideri la catena di comando, ad aste perfettamente rigide i cui elementi sono realizzati in lega leggera, schematizzata nella figura successiva. Lo sforzo massimo che può esercitare il pilota, per bilanciare il momento di cerniera M H della superficie mobile, risulta P max = ± 300 N. Si effettui il disegno: 1) delle aste 1 e 2 con i relativi attacchi agli altri elementi della catena; 2) del bilanciere. Si effettui inoltre il dimensionamento strutturale di massima di tali componenti (aste e bilanciere) commentando opportunamente le soluzioni adottate. Tema n. 2 Un turbofan di geometria tradizionale si trova ad operare ad una quota pari a m (p a = 22.7 kpa; T a = K), con un mach di volo di 0.8. Il motore è caratterizzato da un rapporto di bypass 5.5:1, ed è dotato di un fan che scarica direttamente all esterno l aria che lo attraversa, compressa secondo un fattore 13. Il rapporto di compressione del solo compressore è pari a 18. Il carburante utilizzato è il JP4 (Q r = 45 MJ/kg) e la temperatura massima del fluido che attraversa il motore non supera i 1500K. Anche la temperatura in ingresso alla turbina libera è nota e vale 1050K. Sapendo che la portata del flusso primario è pari a 55 kg/s: 1) calcolare la spinta ed il consumo specifico alla quota considerata; 2) calcolare il rendimento totale ed il rendimento di spinta. Nella figura seguente si riporta il grafico del triangolo delle velocità (misure in m/s) di uno stadio del compressore assiale, dove sono state indicate con 1 le condizioni di ingresso al rotore, con 2 quelle allo statore.

2 Sapendo che la temperatura in ingresso al rotore è pari a 1/5 della temperatura massima e che la pressione è 160 kpa: 3) calcolare il lavoro unitario, temperature e pressioni statiche e totali fra rotore e compressore, trascurando le perdite per attrito. Si ipotizzi adesso di voler fare delle prove, a punto fisso, per il progetto dell ugello semplicemente convergente: la portata d aria che lo attraversa è 15 kg/s, la temperatura (T i ) e la velocità (v i ) in ingresso valgono rispettivamente T i = 850 K ed v i = 100 m/s. Sapendo che la spinta sviluppata è di 9000 N: 4) calcolare la pressione (p u ) alla sezione di uscita, supponendo l ugello isoentropico. (Per i parametri non direttamente specificati si impongano valori ingegneristicamente plausibili per l applicazione in esame e se ne giustifichi opportunamente l impiego.) Tema n. 3 Un ventilatore di un impianto di raffreddamento di un convertitore statico di grossa potenza è calettato sull asse di una macchina a induzione trifase ad un paio di poli. Il ventilatore esercita una coppia resistente all asse della macchina pari a Cr= k*ω 2 [J/rad] con k=0,0037j*s/rad 2 e Ω velocità angolare del ventilatore. La macchina asincrona trifase a gabbia di scoiattolo ha i seguenti dati di targa: Pn =100 kw, Vn=380V f=50hz. Le prove effettuate sulla sola macchina asincrona hanno fornito i seguenti risultati: prova a vuoto Vo=380V; Io=40A; Po=2,5kW prova in corto circuito Vcc=80V; Pcc=6,3kW; Iccs=176A La resistenza misurata tra due morsetti statorici e riportata alla temperatura convenzionale di funzionamento è risultata essere 0,0482ohm. Nell ipotesi che l alimentazione sia quella nominale, calcolare la velocità del ventilatore in giri al minuto, la corrente assorbita dalla macchina asincrona e il fattore di potenza nelle condizioni sopra esposte. Determinare il valore delle capacità del banco di condensatori da inserire, in modo da portare il fattore di potenza della corrente assorbita dalla linea di alimentazione a 0,95. Proporre e disegnare un sistema di regolazione della velocità del ventilatore descrivendone il funzionamento e mettere in evidenza le problematiche inerenti a questa applicazione. Tema n. 4 Una linea trifase aerea (6kV, 50Hz) avente una lunghezza complessiva di 1000m alimenta dopo 500m un carico C per mezzo di un trasformatore abbassatore e al termine (1000m) un motore trifase a induzione. I conduttori della linea di distribuzione sono disposti sui vertici di un triangolo isoscele di altezza 700mm e base doppia dell altezza. I conduttori cordati sono in rame (resistività 0,0178 Ωmm 2 /m).

3 Dati relativi al motore a induzione: Tensione nominale 6 kv Potenza nominale 750 kw A pieno carico il motore ha rendimento 0,9 e fattore di potenza 0,8 La prova a vuoto eseguita sul motore ha fornito: Io = 20 A, Po = 3,1 kw La prova di corto circuito eseguita sul motore ha fornito: Vcc = 275 V, Pcc = 6,1 kw Dati di targa del trasformatore di alimentazione: Vn1 / Vn2 = 6 kv / 400 V, f=50hz Pn = 630 kva Risultati delle prove effettuate sul trasformatore La prova di corto circuito eseguita sul trasformatore ha fornito: Vcc% = 5,5 %, Pcc= 13 kw La prova a vuoto eseguita sul trasformatore ha fornito: Io% = 3 %, Po= 2500 W Dati relativi al carico C: Il carico C è un carico trifase equilibrato che alimentato a tensione nominale di 400V, assorbe una potenza media giornaliera di 200 kw con fattore di potenza 0,9. Diagramma di assorbimento giornaliero del carico C 1) Supponendo che la tensione di alimentazione del carico C sia quella nominale, determinare il valore massimo della potenza assorbita dal carico C e il valor massimo della corrente assorbita dal carico nelle 24 ore. 2) Valutare il valore minimo e massimo della corrente di linea lato primario del trasformatore ed il valore minimo assunto dal fattore di potenza nelle 24 ore. 3) supponendo che il motore lavori in servizio continuativo a pieno carico alla tensione nominale, determinare il valore della corrente statorica. 4) Determinare per i conduttori della linea trifase di alimentazione la sezione alla quale corrisponde, nelle condizioni di funzionamento assegnate, una caduta massima della tensione di linea non superiore al 5 %. Sono disponibili per i conduttori le seguenti sezioni: sezione [mm 2 ] diametro della corda [mm] 10 4, ,5 25 6,4 35 7, ,7 5) Calcolare la minima tensione presente al primario del trasformatore durante le 24 ore considerando la sezione dei conduttori scelta.

4 Tema n. 5 In un ambiente per la lavorazione di derrate alimentari operativo nel periodo estivo, deve essere mantenuta la temperatura di 26 C e una umidità relativa del 50%. Il vano, che si trova ad un livello intermedio di un edificio a più piani, ha le dimensioni 12 m x 10 m ed una altezza di 3.5 m. La parete 10 x 3.5 diretta a NORD è esterna e priva di finestre. La parete 12 x 3.5 rivolta a EST è esterna e presenta una vetrata di superficie 1.8 x 2 m. Le altre pareti sono interne. Le pareti esterne ed il pavimento hanno una massa per unità frontale pari a 500 kg/m 2 ed una struttura tale da realizzare una trasmittanza globale pari a 0.5 W/(m 2 K). La superficie vetrata presenta una trasmittanza globale pari a 2.8 W/(m 2 K). Il coefficiente di convezione lato esterno sia α e =20 W/(m 2 K), mentre quello interno sia α i =5 (W/m 2 K). Nel locale è presente un sistema di illuminazione artificiale ad incandescenza di potenza pari a 850 W, in funzione dalle ore 8 alle ore 18. Sono inoltre presenti nel locale alcuni banchi frigoriferi condensati dall aria ambiente, che immettono nell ambiente un flusso pari a 1100 W. si assuma inoltre per le derrate presenti una produzione di flusso termico metabolico globale pari a 0.5 W/kg (di cui il 50% sensibile e il 50 % latente). Il candidato, dopo aver delineato la possibile soluzione tecnica per effettuare il condizionamento nel vano kg di derrate prospetti la soluzione tecnica per effettuare il condizionamenti e ne esegua una progettazione di massima. Il candidato consideri le seguenti ulteriori indicazioni specifiche: - Temperatura esterna di 32 C, umidità relativa 50%, alla latitudine 43.5 Nord. - Rinnovo di aria esterna pari a 0.1 m 3 /h per ogni kg di derrata presente. Tema n. 6 Dopo aver scelto la tipologia di scambiatore ritenuta più opportuna, si esegua il dimensionamento di massima delle due sezioni di un generatore di vapore a recupero adibito a recupero dei gas di scarico in uscita da un impianto turbogas. che serve per produrre una portata di vapore di 14 kg/s alla pressione di 20 bar in condizioni di saturazione. Si assuma che la portata dei fumi in ingresso al generatore di vapore sia pari a 90 kg/s e che la temperatura e la pressione degli stessi siano rispettivamente 780 K e 1.1 bar. Si assuma l acqua di alimentazione del generatore di vapore a recupero alla pressione atmosferica ed alla temperatura di 25 C e per i fumi un calore specifico medio pari a 1.1 kj/kg K (per le altre proprietà, si consideri una composizione chimica assimilabile a quella dell aria) Tema n. 7 Il candidato scelga una produzione o l erogazione di un servizio reale incontrato nella propria esperienza di studio o lavoro. Lo descriva sommariamente e lo caratterizzi eseguendo un analisi SWOT che evidenzi almeno 5 elementi (max 10) per ciascuna categoria. Esegua la mappatura dei principali processi relativi al prodotto o servizio scelto su almeno 3 livelli (max 5). Costruisca un esempio di complessità tale da contenere almeno 5 input e 5 output (max 7 + 7) a livello macro (il cosiddetto livello 0). Tema n. 8 Per il componente in ghisa riportato in figura, il candidato a. scelga la catena di processi più appropriati ad una produzione di 100 pezzi al giorno; b. individui i principali documenti per gestire la produzione in oggetto e ne indichi le possibili responsabilità; c. riporti un esempio di ciascun documento citato, compilato relativamente alla produzione in oggetto. Il componente ha tolleranze standard di lavorazione e finiture di 6,4 e 1,6 micron rispettivamente per le superfici esterne e per i fori.

5

6 Tema n. 9 Una turbina Pelton a un solo ugello lavora sotto una caduta utile pari a H u =1150 m, con una portata V=1,5 m 3 /s. Sono assegnati la velocità di rotazione n=600 giri/min, il rendimento meccanico η m =0,96, il coefficiente di efflusso dell ugello ϕ=0,98, il coefficiente di riduzione della velocità relativa ψ=w 2 /w 1 =0,96 e l angolo di uscita β 2 =18 o. Il candidato determini sulla base di assunzioni, calcoli o diagrammi (non necessariamente nell ordine): 1. la potenza utile P u 2. il diametro della ruota D, la velocità periferica u, il diametro del getto d e il rapporto D/d 3. Il numero delle pale N e le dimensioni principali della pala (A, B, C ed E) 4. il rendimento idraulico η i 5. i triangoli delle velocità 6. il valore percentuale delle singole perdite (nell ugello, nelle pale, per energia cinetica allo scarico). Tema n. 10 Dimensionare un ingranaggio a denti elicoidali per trasmettere una potenza di 18 kw tra due alberi paralleli, riducendo la velocità di rotazione da 350 a 250 giri/min. Dimensionare l ingranaggio per una durata indefinita, con funzionamento per la maggior parte del tempo a pieno carico. Per questo ingranaggio si utilizzi un angolo di pressione nella sezione normale pari a 20 o, una dentatura a proporzionamento normale e un angolo di elica del dente pari a 12 o. Il candidato indichi il materiale di costruzione di questo ingranaggio e la tecnologia di lavorazione giustificando la scelta.