Lezione n.10 (Corso di termodinamica) Componenti.

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1 Lezione n.10 (Corso di termodinamica) Componenti

2 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Indice Parte I – Condotti e Scambiatori   Condotti   Ugelli   Valvole   Scambiatori di calore   Caldaie Parte II – Turbomacchine   Turbine a gas   Turbine a vapore   Turbine idrauliche   Turbopompe   Turbocompressori

3 Parte I – Condotti e Scambiatori

4 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Equazioni bilancio: componenti I componenti degli impianti termici possono essere generalmente studiati con l’approccio del V.C. nelle seguenti ipotesi semplificative: I componenti degli impianti termici possono essere generalmente studiati con l’approccio del V.C. nelle seguenti ipotesi semplificative: 1. regime stazionario 2. flusso monodimensionale (in ingresso e uscita) 3. un ingresso e un uscita (o almeno in numero limitato) In tal caso le equazioni di bilancio si esprimono: In tal caso le equazioni di bilancio si esprimono: Bilancio di massa Bilancio di massa Bilancio di energia Bilancio di energia Bilancio di entropia Bilancio di entropia Equazione dell’energia meccanica Equazione dell’energia meccanica

5 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Condotti ugelli e valvole: equazione di Bernoulli Consideriamo un fluido che scorre in un sistema aperto (condotto) nelle seguenti condizioni: Consideriamo un fluido che scorre in un sistema aperto (condotto) nelle seguenti condizioni: 1. regime stazionario e monodimensionale (in ingresso e uscita) 2. condotto adiabatico (Q=0) 3. scambi di energia in modo lavoro nulli (L e =0) 4. un ingresso e un uscita a quote diverse (z 1 ≠z 2 ) 5. condotto a sezione variabile (A 1 ≠A 2 ) 6. fluido incompressibile (w 1 ≠w 2 ) 7. fluido inviscido e regime laminare (trasf. reversibile, r=0) In tal caso è possibile riscrivere l’equazione dell’energia meccanica nel seguente modo: In tal caso è possibile riscrivere l’equazione dell’energia meccanica nel seguente modo: questa equazione prende il nome di equazione di Bernoulli. questa equazione prende il nome di equazione di Bernoulli.

6 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Condotti

7 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Ugelli

8 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Valvole

9 Parte II – Le turbomacchine

10 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Macchine motrici e operatrici Per "macchina" si intende normalmente un sistema compatto di organi (fissi e mobili) in grado di effettuare una trasformazione di energia. Il funzionamento di una macchina comporta sempre scambi di energia meccanica, in quanto il movimento degli organi é connesso a forze che compiono lavoro. Per "macchina" si intende normalmente un sistema compatto di organi (fissi e mobili) in grado di effettuare una trasformazione di energia. Il funzionamento di una macchina comporta sempre scambi di energia meccanica, in quanto il movimento degli organi é connesso a forze che compiono lavoro. Vengono definite macchine a fluido quelle macchine in cui le forze sono esplicate da un fluido o su di un fluido. Vengono definite macchine a fluido quelle macchine in cui le forze sono esplicate da un fluido o su di un fluido. Se il trasferimento di energia meccanica avviene dall'ambiente esterno verso la macchina, essa viene definita operatrice. Viceversa, se la macchina trasferisce energia all'ambiente esterno, essa viene definita motrice. Se il trasferimento di energia meccanica avviene dall'ambiente esterno verso la macchina, essa viene definita operatrice. Viceversa, se la macchina trasferisce energia all'ambiente esterno, essa viene definita motrice.

11 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Classificazione delle macchine a fluido Una prima classificazione delle macchine a fluido si basa sul tipo di interazione tra fluido ed organi mobili della macchina; in particolare si definiscono: Una prima classificazione delle macchine a fluido si basa sul tipo di interazione tra fluido ed organi mobili della macchina; in particolare si definiscono: - volumetriche quelle macchine in cui il trasferimento di energia avviene attraverso la variazione del volume che racchiude il fluido; tale variazione è ottenuta mediante il movimento di una o più pareti che delimitano il V.C. (ad esempio, il sistema pistone-cilindro). - volumetriche quelle macchine in cui il trasferimento di energia avviene attraverso la variazione del volume che racchiude il fluido; tale variazione è ottenuta mediante il movimento di una o più pareti che delimitano il V.C. (ad esempio, il sistema pistone-cilindro). - turbomacchine quelle macchine in cui il trasferimento di energia é dovuto al moto relativo del fluido rispetto agli organi mobili della macchina. Tale trasferimento di energia avviene mediante l'interazione tra un fluido in movimento ed un dispositivo ad elica costituito da un insieme di palette opportunamente sagomate e calettate su di un albero rotante. - turbomacchine quelle macchine in cui il trasferimento di energia é dovuto al moto relativo del fluido rispetto agli organi mobili della macchina. Tale trasferimento di energia avviene mediante l'interazione tra un fluido in movimento ed un dispositivo ad elica costituito da un insieme di palette opportunamente sagomate e calettate su di un albero rotante. Un'ulteriore classificazione é legata alla fase del fluido: Un'ulteriore classificazione é legata alla fase del fluido: - se quest'ultimo é in fase aeriforme (vapore o gas) la turbomacchina viene detta a vapore o a gas; - se quest'ultimo é in fase aeriforme (vapore o gas) la turbomacchina viene detta a vapore o a gas; - se il fluido é in fase liquida, generalmente ipotizzato incomprimibile, la turbomacchina viene detta idraulica. - se il fluido é in fase liquida, generalmente ipotizzato incomprimibile, la turbomacchina viene detta idraulica.

12 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Principali tipi di turbomacchine motrici La turbina idraulica é una macchina motrice idraulica che trasforma in energia meccanica l'energia potenziale dell'acqua che fluisce da una quota di presa più elevata ad una quota di scarico più bassa; in generale esiste un accoppiamento diretto tra la turbina ed un generatore di energia elettrica. La turbina idraulica é una macchina motrice idraulica che trasforma in energia meccanica l'energia potenziale dell'acqua che fluisce da una quota di presa più elevata ad una quota di scarico più bassa; in generale esiste un accoppiamento diretto tra la turbina ed un generatore di energia elettrica. La turbina a gas é una macchina motrice che converte il contenuto entalpico di un gas in energia meccanica; questa macchina é, in genere, uno dei componenti costituenti un impianto di conversione di energia termica in energia meccanica. La turbina a gas é una macchina motrice che converte il contenuto entalpico di un gas in energia meccanica; questa macchina é, in genere, uno dei componenti costituenti un impianto di conversione di energia termica in energia meccanica. La turbina a vapore é una macchina motrice che converte l'entalpia di un vapore in energia meccanica; questa macchina é in genere uno dei componenti costituenti un impianto di conversione d'energia termica in energia meccanica. La turbina a vapore é una macchina motrice che converte l'entalpia di un vapore in energia meccanica; questa macchina é in genere uno dei componenti costituenti un impianto di conversione d'energia termica in energia meccanica.

13 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbine a gas e a vapore Generalmente per una turbina è possibile accettare le seguenti ipotesi: Generalmente per una turbina è possibile accettare le seguenti ipotesi: - regime stazionario e monodimensionale (in ingresso e uscita) - sistema adiabatico (Q<<Le) - trascurabilità dei termini cinetici e potenziali (z 1 ≈z 2 ;w 1 ≈w 2 ) In tal caso è possibile scrivere le equazioni di bilancio nel seguente modo: In tal caso è possibile scrivere le equazioni di bilancio nel seguente modo: ­ Bilancio di massa ­ Bilancio di energia ­ Bilancio di entropia ­ Equazione dell’energia meccanica

14 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbina a vapore Nel caso di una macchina reale la potenza meccanica d'elica fornita dalla turbina all'ambiente esterno risulta inferiore alla potenza meccanica fornita dalla T.V. ideale Nel caso di una macchina reale la potenza meccanica d'elica fornita dalla turbina all'ambiente esterno risulta inferiore alla potenza meccanica fornita dalla T.V. ideale

15 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Piani termodinamici Turbina a vapore IN OUT T-sh-s

16 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbina a gas

17 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Piani termodinamici Turbina a gas T-s

18 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbina idraulica Impianto idroelettrico Turbina idraulica

19 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Principali tipi di turbomacchine operatrici La turbopompa é una macchina idraulica operatrice che converte energia meccanica, fornita da un opportuno motore in contenuto entalpico del liquido; l'incremento di entalpia é dovuto unicamente ad un incremento di pressione del liquido (nell'ipotesi di liquido incomprimibile). Tale macchina può essere utilizzata per elevare la quota del fluido (pompa di sollevamento), per realizzare il flusso di un liquido in un impianto (pompa di circolazione) o semplicemente per connettere due zone di un impianto a differente pressione (pompa di alimentazione). La turbopompa é una macchina idraulica operatrice che converte energia meccanica, fornita da un opportuno motore in contenuto entalpico del liquido; l'incremento di entalpia é dovuto unicamente ad un incremento di pressione del liquido (nell'ipotesi di liquido incomprimibile). Tale macchina può essere utilizzata per elevare la quota del fluido (pompa di sollevamento), per realizzare il flusso di un liquido in un impianto (pompa di circolazione) o semplicemente per connettere due zone di un impianto a differente pressione (pompa di alimentazione). Il turbocompressore é una macchina operatrice che converte energia meccanica (opportunamente fornita da un motore), in contenuto entalpico di un aeriforme; l'incremento di entalpia è dovuto ad un aumento di pressione e ad una eventuale variazione della temperatura. Il turbocompressore é una macchina operatrice che converte energia meccanica (opportunamente fornita da un motore), in contenuto entalpico di un aeriforme; l'incremento di entalpia è dovuto ad un aumento di pressione e ad una eventuale variazione della temperatura.

20 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbopompe e turbocompressori Generalmente per una turbopompa è possibile accettare le seguenti ipotesi: Generalmente per una turbopompa è possibile accettare le seguenti ipotesi: - regime stazionario e monodimensionale (in ingresso e uscita) - sistema adiabatico (Q<<Le) - trascurabilità dei termini cinetici e potenziali (z 1 ≈z 2 ;w 1 ≈w 2 ) In tal caso è possibile scrivere le equazioni di bilancio nel seguente modo: In tal caso è possibile scrivere le equazioni di bilancio nel seguente modo: ­ Bilancio di massa ­ Bilancio di energia ­ Bilancio di entropia ­ Equazione dell’energia meccanica

21 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbopompe

22 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Piani termodinamici Turbopompe T-s

23 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbocompressori

24 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Piani termodinamici Turbocompressori T-s

25 Modulo di TermodinamicaLezione 10 – Componenti Turbocompressori (con inter-refrigerazione)