CORSO P. A. S. C320 Università di Camerino Ministero dell’Istruzione Università di Camerino CORSO P. A. S. C320 Laboratorio di macchine a fluido Marzo 2014 - IIS Mattei Recanati L 7 Inserisco le note Prof. Nazareno Agostini 1

COMBUSTIBILI Sostanze chimiche che nel processo di combustione, producono energia termica. I combustibili per motori termici di facile evaporazione, quali le benzine, vengono detti anche carburanti. Combustibili tradizionali La combustione è una reazione di ossidazione in cui il combustibile reagisce con un comburente: il comburente di gran lunga più comune è l‘ossigeno dell‘aria. Si classificano in: solidi, liquidi, gassosi. Un'altra importante distinzione è fra "naturali" e "derivati", in relazione alle condizioni in cui vengono impiegati: naturali (es.: gas metano) usati come vengono estratti, Derivati (es.: benzine, GPL) se lavorati.

COMBUSTIONE E COMBUSTIBILI Per avere una combustione occorre combinare due sostanze: il combustibile che contiene soprattutto carbonio (C) e idrogeno (H), combinati fra loro ma anche zolfo (S) presente come impurità e il comburente (aria) che fornisce l’ossigeno necessario. Se la combustione avviene in modo assai veloce e con grande aumento di volume si definisce esplosione. I combustibili solidi sono essenzialmente carboni (torba, lignite, litantrace e antracite). I combustibili liquidi derivano dalla distillazione frazionata del petrolio e possono essere: benzine, kerosene, gasolio, nafte pesanti. I combustibili gassosi sono il metano naturale, oppure derivati da combustibili solidi o liquidi. Un combustibile gassoso di futuro successo sarà l’idrogeno.

EMISSIONE DI ANIDRIDE CARBONICA .

TRASMISSIONE DEL CALORE La trasmissione del calore fra due corpi avviene in conseguenza di una differenza di temperatura che si realizza in tre modi diversi: per conduzione nei solidi e nei liquidi in quiete, quando non vi è movimento di materia ed avviene per contatto diretto fra le particelle per convezione, fra una superficie di un solido e un fluido per irraggiamento, fra due corpi posti a distanza per mezzo di onde elettromagnetiche Esempio: consideriamo una parete di area A e spessore S che viene lambita da un lato dai fumi riscaldati dal carbone incandescente e dall’altro lato dal vapore (caldaia). La trasmissione del calore avviene: - dal carbone incandescente alla parete per irraggiamento - dai fumi che lambiscono la parete per convezione - all’interno della parete di spessore per conduzione - dal vapore che lambisce l’altro lato della parete per convezione

TRASMISSIONE DI CALORE La trasmissione del calore è studiata per tre attività fondamentali: La conservazione di calore Il calore prodotto per scaldare una casa o per generare vapore è un calore che ha necessità di essere conservato, che quindi non deve essere disperso. Lo studio delle coibentazioni è proprio quello di riuscire a trovare materiali con un coefficiente di inerzia termica adeguata, al fine di contenere il calore senza disperderlo. La dissipazione di calore In alcuni sistemi il calore rappresenta un problema e deve essere dissipato (smaltito). Il freecooling principio del libero raffreddamento: raffrescamento degli ambienti

TRASFERIMENTO DI CALORE Nel passato, il problema del trasferimento del calore non esisteva in quanto il posto dove si bruciava la legna (sorgente di calore) coincideva con il luogo dove serviva calore. Oggi il calore si produce con fonti di energia diverse ed il luogo dove si produce è spesso lontano per motivi di sicurezza, da dove si ha necessità. Per questo motivo la tecnologia ha studiato varie forme di vettore per trasferire il calore da una parte all'altra. I termovettori più utilizzati nell'impiantistica per la trasmissione del calore sono: aria, acqua, gas, vapore Il calore viene ceduto attraverso degli scambiatori: il termovettore viene spostato dalla sorgente di calore fino al posto dove questo calore serve e qui il termovettore lo cede all'ambiente attraverso un nuovo scambiatore.

TERMOTECNICA Si basa sui principi della fisica del calore. per la parte statica studia il comportamento della materie solide, liquide e gassose al variare della temperatura; per la parte dinamica prende il nome di termodinamica e studia il comportamento dei gas e dei vapori al variare delle condizioni fisiche di temperatura e pressione per effetto di un apporto di energia termica. Altro aspetto della termodinamica è quello energetico, cioè relativo alla produzione di energia meccanica nelle macchine termiche, legata alle trasformazioni termodinamiche di energia termica in energia meccanica.

ENTALPIA ED ENTROPIA L‘ENTALPIA posseduta da un sistema termodinamico è una funzione di stato definita come la somma dell‘energia interna (prodotto della pressione per il volume). L'entalpia è espressa in joule. A causa del fatto che non è possibile conoscere il valore assoluto dell'energia interna di un sistema o di una sostanza, durante una determinata trasformazione termodinamica si può misurare solo la variazione di entalpia (ΔH) e non il suo valore assoluto. L’ENTROPIA è la funzione dello stato interno di un corpo, misurata in joule/kelvin, la cui variazione, in una qualsiasi trasformazione elementare reversibile e isoterma, è data dal rapporto fra la quantità di calore scambiato dal corpo con l‘esterno e la temperatura assoluta assunta dal corpo durante la trasformazione.

SISTEMI TERMODINAMICI Una trasformazione termodinamica avviene in un ambito limitato denominato sistema termodinamico. Si definisce ambiente tutto ciò che è al di fuori del sistema. Un sistema termodinamico può essere: - Chiuso: in cui si ha sempre la stessa quantità di massa. Il sistema cioè non permette ingressi o uscite di materia. - Aperto: in cui la materia può entrare o uscire. I sistemi termodinamici in relazione agli scambi energetici possono essere classificati in: Isolati o adiabatici, quando non permettono scambi termici con l’ambiente, diabatici, se permettono scambi termici con l’ambiente circostante.

GENERATORE DI VAPORE il generatore di vapore realizza il riscaldamento isobaro (a pressione costante) di un liquido, provocandone l‘ebollizione, in modo continuo ed in condizioni controllate, per impiegarlo come vettore energetico. I generatori di vapore vengono classificati in base alla fonte di energia sfruttata dal generatore (combustibile, energia solare, energia nucleare) o di un altro fluido esausto come nel caso dei ciclo combinato e della cogenerazione. La caldaia è invece solo una parte del generatore di vapore a combustione, la parte in cui il liquido utilizzato (spessissimo l'acqua) viene riscaldata, ma non vaporizzata.

GENERATORI DI VAPORE Parti fondamentali: - preparazione e alimentazione combustibile - focolare, bruciatori e camere di combustione - condotto dei fumi e impianti per il trattamento degli stessi - preparazione e alimentazione dell’acqua da trasformare in vapore 5. - superfici di scambio termico tramite le quali avviene la trasmissione del calore 6. - organi di regolazione e controllo dell’impianto Il secondo e il quinto punto costituiscono assieme la caldaia. In caldaia esistono due sistemi separati: sistema combustibile, aria comburente, fumi, scorie sistema acqua alimentazione e produzione di vapore

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Cicli combinati Brayton e Rankine La combinazione di due cicli termodinamici permettono di ottimizzare lo sfruttamento dell'energia contenuta nel combustibile (gas naturale). Il ciclo Brayton converte l'energia termica posseduta dai gas derivanti dalla combustione del gas naturale in energia meccanica e quindi elettrica. Nel ciclo Rankine l'energia termica residua dei gas di combustione viene ceduta all'acqua per la produzione di vapore e convertita in energia meccanica e quindi elettrica. La cogenerazione è definita come la produzione congiunta di energia elettrica e vapore

Classificazione dei generatori secondo: vettore energetico impiegato per la generazione (combustione, nucleare, solare) e la dipendenza della sua disponibilità dalla generazione (apposito o cogeneratore), tipo di partizione (generatore a tubi d’acqua, a tubi da fumo) la circolazione naturale, assistita o combinata, o forzata del fluido. contenuto di fluido in rapporto alla superficie di riscaldamento (grande volume 130÷250 l/m³, medio 70÷130, piccolo <70) tipo di tiraggio (atmosferici, pressurizzati, in depressione) portata di vapore mobilità dell'installazione (fissa, semifissa, locomobile) pressione massima di esercizio (bassa pressione <1 bar, media 1÷15, alta 15÷100, altissima >100)

https://www.youtube.com/watch?v=fcvUafB90DI https://www.youtube.com/watch?v=VFZvlJWHkTc

Regolazioni Nel caso di combustori a solido è prevista una camera in cui si accumulano le ceneri. Un particolare tipo di regolazione del livello di liquido nel corpo cilindrico di un generatore di vapore è la cosiddetta regolazione a tre elementi. Le tre variabili controllate sono: il livello, la portata di vapore, la portata di acqua di alimento.

Controlli e regolazioni Per elevate richieste di vapore, la pressione nel corpo cilindrico può calare bruscamente, aumentando l'evaporazione dell'acqua. Si formano grandi bolle di vapore all'interno del liquido, con conseguente aumento apparente del livello all'interno del corpo cilindrico. Per questo motivo, oltre a controllare il livello stesso, si affina la regolazione controllando anche la portata di vapore e facendo in modo che se questa aumenta vi sia un'azione correttiva sulla portata di acqua alimento (tramite inverter delle pompe o tramite valvola di regolazione) atta ad aumentarla e a compensare quindi l'apparente innalzamento del livello. Il controllo della pressione del vapore all'uscita del generatore dipende anche dalla regolazione della combustione, ovvero una regolazione combinata di portata olio combustibile (e gas se mista) e portata aria comburente.

Impianti motore a vapore .

TURBINE A VAPORE La turbina trasforma in energia meccanica l’energia termica contenuta nel vapore. Il flusso del vapore all’interno della turbina è di norma assiale. Le potenze in gioco sono elevate (100-1500 MW). Oggi vengono impiegate turbine miste. Il vapore in turbina segue due fasi: Espansione del vapore Inversione del flusso di vapore nella palettatura: il vapore in velocità arriva sulle pale della turbina, dove per effetto del cambio di direzione nasce una spinta sulla pala e quindi un momento torcente sull’albero della turbina che per effetto della rotazione dà luogo ad una potenza. Se le due fasi espansione e inversione del vapore sono separate ed avvengono in successione le turbine sono ad azione, se avvengono parte separate e parte contemporaneamente siamo in presenza di turbine a reazione.

TURBINE A VAPORE Il vapore espande in turbina attraversando stadi in successione. Ogni stadio è costituito da due schiere di pale: le pale statoriche (o ugelli) sono fisse e solidali alla cassa della turbina, mentre le pale rotoriche sono mobili e sono solidali all'albero. Nel loro insieme, le parti fisse a contatto con il vapore sono dette "statore", mentre l'insieme costituito dall'albero e dalle parti ad esso solidali è detto "rotore". Gli stadi sono caratterizzati dalla modalità con cui il vapore cede la propria energia all'albero, ed in base a questo sono definiti "ad azione" o "a reazione". https://www.youtube.com/watch?v=okGjfdhMz28

Stadi ad azione Lo stadio ad azione è costituito da ugelli fissi che causano l'espansione del vapore, creando getti ad alta velocità ed energia cinetica, con direzione fortemente angolata rispetto all'asse della macchina. Quando i getti incontrano la palettatura rotorica, essa ne varia fortemente la direzione grazie all'apposito profilo concavo, ed il vapore cede parte della propria energia cinetica sotto forma di lavoro meccanico di rotazione dell'albero. Il salto di pressione avviene quasi interamente negli ugelli, mentre è pressoché nullo tra monte e valle della palettatura rotorica.

Stadi a reazione Nello stadio a reazione, le pale hanno un profilo tale da costituire un ugello convergente in ogni interstizio. Quindi il flusso di vapore aumenta la propria velocità nello statore e nel rotore. Il salto di pressione è meno brusco rispetto allo stadio ad azione, ed è ripartito tra statore e rotore. Gli stadi a reazione hanno un rendimento più elevato, ma per funzionare correttamente possono sostenere salti di pressione più ridotti. Per questa ragione, a parità di salto di pressione, una turbina interamente a reazione ha necessità di un maggior numero di stadi. Poiché il decremento di pressione è più graduale, la cassa deve essere in grado di sopportare pressioni più elevate. Per queste ragioni le turbine a reazione sono più costose.

Manutenzione della turbina In condizioni di turbina ferma si utilizza un dispositivo che fa ruotare lentamente la macchina (viratore). La prima fase di avviamento della turbina è chiamata rullaggio per un riscaldamento graduale ed uniforme della macchina. Successivamente le valvole vengono aperte (in maniera graduale) ed il vapore addotto con portate più elevate fa aumentare la velocità della macchina fino a quella nominale. La presenza accidentale ed eccessiva di acqua nel vapore provoca erosione precoce delle pale, a causa dell'impatto ad elevata velocità. Questo può causare sbilanciamenti, e quindi eccessive vibrazioni del rotore, che possono avere conseguenze anche sui cuscinetti reggispinta. Il problema può essere ridotto usando acqua distillata nel vapore che, essendo priva di sali, limita notevolmente i danni alle pale.

Vapore surriscaldato E’ il vapore portato alla temperatura superiore a quella corrispondente a quella di vaporizzazione, cosa che comporta la completa vaporizzazione dell‘acqua, al fine di migliorare il rendimento termodinamico dell'intero motore a vapore. Il surriscaldamento si ottiene prelevando in caldaia il vapore saturo e facendogli percorrere il surriscaldatore (un insieme di tubi che vengono investiti direttamente dai gas di combustione). Nel vapore surriscaldato, rispetto al vapore saturo, a parità di pressione, aumentano la temperatura e l'entalpia (ossia il contenuto termico). Il miglioramento del rendimento è paragonabile a quello dato dalla doppia espansione.

INFIAMMABILITA’ L'infiammabilità è la facilità con cui una sostanza brucia causando calore, luce, fumi. La caratteristica principale è che questa reazione emette grandi quantità di calore e una fiamma (non sempre visibile). Per generare una combustione occorrono sempre: combustibile (sostanza che brucia), comburente (sostanza che partecipa alla reazione), innesco (sorgente di energia che fa partire la reazione)

INFIAMMABILITA’ Alcune sostanze volatili possono essere infiammabili (o esplosive) anche a temperatura ambiente. Le miscele aria/sostanza (la cui composizione è rappresentata come percentuale in volume) generalmente non sono tutte infiammabili, in quanto esistono dei valori che delimitano il campo di infiammabilità. Inoltre questi limiti d'infiammabilità variano al variare della temperatura, della pressione e delle condizioni in cui è condotto l'esperimento.

SEGNALETICA DI SICUREZZA .

LIQUIDI E POLVERI INFIAMMABILI Le sostanze liquide presentano una forte predisposizione ad infiammarsi. I liquidi infiammabili sono sovrastati da vapori infiammabili (tensione di vapore), per cui è più utile indicare i limiti di infiammabilità in relazione alla temperatura. Per ragioni di sicurezza queste sostanze devono riportare un'indicazione che le renda riconoscibili (in Europa una delle “frasi R"), e devono essere trasportate rispettando particolari precauzioni. Polveri infiammabili La pericolosità delle polveri dal punto di vista dell'infiammabilità è stata negli anni sottovalutata. Anche materiali che in massa non mostrano caratteristiche di infiammabilità, sotto forma di polvere possono bruciare, infiammarsi ed esplodere.

TRASPORTO DI INFIAMMABILI .

CLASSIFICAZIONE INFIAMMABILI I liquidi infiammabili si classificano ai fini della sicurezza e ai sensi del d. m. 31/7/1934, in base alla temperatura di infiammabilità in: Categoria A (Ti < 21 °C): benzina, alcoli; sono i prodotti più pericolosi in quanto estremamente infiammabili anche a temperatura ambiente e devono essere tenuti lontani da possibili inneschi; Categoria B (21 °C ≤ Ti ≤ 65 °C): gasolio; Categoria C (Ti > 65 °C): glicerina, bitumi. Nelle installazioni di motori a combustione interna accoppiati a macchine generatrici di energia elettrica o macchine operatrici (D.M. 22/10/2007), il gasolio è da considerarsi di categoria C.

TEMPERATURE DI INFIAMMABILITA’

CONRONTO BENZINA-GASOLIO Nei motori a scoppio, la benzina deve pre miscelarsi con l'aria per raggiungere il suo limite infiammabile e scaldarsi oltre il suo punto di fiamma, per poi accendersi. Non deve pre incendiarsi in un motore caldo. La benzina possiede un basso punto di fiamma e un'alta temperatura di auto ignizione. Nel motore diesel l‘aria compressa viene scaldata fino alla temperatura di auto ignizione; la deflagrazione della carica combustibile avviene nel momento di massima pressione, in presenza di una miscela aria-carburante nebulizzata. In questo caso non vi sono sorgenti di accensione. Al carburante diesel è richiesto un alto punto di fiamma e una bassa temperatura di auto ignizione.

CONRONTO BENZINA-GASOLIO punto di fiamma: > -40 °C Temperatura di autoaccensione: circa 250 °C La benzina senza piombo ha un punto di fiamma inferiore e Una temperatura di autoaccensione superiore. Gasolio: punto di fiamma: > 55 °C (gasolio per autotrazione); > 65 °C (gasolio per riscaldamento). Temperatura di autoaccensione: circa 220 °C

dispositivo di Pensky-Martens INFIAMMABILITA’ dispositivo di Pensky-Martens

lo spegnimento della fiammella, il punto di infiammabilità. CONDOTTA DELLA PROVA Esame di due combustibili: gasolio da autotrazione e cherosene All’aumentare della temperatura, verifichiamo: lo spegnimento della fiammella, il flash point, il punto di infiammabilità.