1 LEZIONIDI MACCHINE A FLUIDO

PROF.ING.GIOVANNIBOTTAINI IPSIAPACINOTTIDI PESCIA 1aEdizione 2005 2aEdizione 20063aEdizione 2007 4a Edizione 2008 2 PREMESSA DopoaverinsegnatolamateriadiMacchineaFluidopermoltissimianniinizialmentenegliIstitutiTecniciIndustrialipoisuccessivamentenegliIstituti Professionali mi sono fatto la convinzione chemoltidei testi che vengono proposti per linsegnamentosonorivoltiasoddisfarepileconoscenzedeidocentichedegli allievi.Nonunacriticaaitestichesonoanche in molti casi ben costruiti ma si rivolgonopiachivuoleapprofondirelamateriarispettoachisiapprocciaadessaperlaprimavoltaeconconoscenzelimitatenelledisciplinepropedeutichequalila fisica,lachimicaelamatematica.Inoltreassumonomoltospessolaspettoenciclopedicovolendotrattaretuttigliargomentiincuiquestabellissimamateriasi sviluppa.Lesperienzamihainsegnatochedifronteaquestitestiglistudentisi spaventano e tendono a non aprire il libro per la difficolt di orientarsi e diselezionare quantonecessario.Daltrapartebeneprendereattocheglistudentinegliultimi annisonocambiatimoltissimoepurtroppononinmegliopercuiancheilmododi porrelamateriadeveesserenecessariamentediverso.Eimportantecheiconcetti sianoespressiinformasempliceechiara,semplificandoalmassimoledifficolt fisico-matematiche, poi se nella professione occorrer approfondire la materiaoggi gli strumentinonmancanoesonoallaportataditutti.Quindiiltestofruttodiuna elaborazionematuratainalcunianniesperimentatagiornodopogiornonellaclasse cercandodirenderesempliceeaccessibilelamateriaesinceramentesperodiesserci riuscito.Acompendiodeltestoviunaraccoltadiesercizisvoltifracuituttiitesti assegnati alla maturit professionale. AltracaratteristicadeltestolusoesclusivodelleunitdimisuradelSistema Internazionaleperchadistanzadi28annidallentratainvigoredelsistemaS.I (01.01.1980) nella comunit Europea,sistemagiprecedentemente adottatoin USA enellaURSS(oraRussia)tempochetuttisiconforminoallusodiquestoabbandonando del tutto il vecchiosistema pratico. Perconcluderevogliospenderedueparoleinricordodelprof.Ing.DinoDiniOrdinario di Macchine allUniversit di Pisa dagli anni 70che riuscito grazie ad un linguaggio semplice e accattivante afaramare e comprendere la materia amigliaia di giovanistudentidiingegneriaealcuiesempiomisonoispiratointuttiquestiannidi insegnamento. Ing.Giovanni Bottaini Febbraio 2008 3 INDICE CAPITOLO 1 1.0 INTRODUZIONE 1.1LENERGIA 1.2FONTI DI ENERGIA 1.3SISTEMI ENERGETICI 1.4SISTEMI ENERGETICI 1.4.1ENERGIA IDROELETTRICA 1.4.2CENTRALIELETTRICHEA COMBUSTIBILE FOSSILE 1.4.3SVILUPPI NELLA TECNICA DELLE CENTRALI ELETTRICHE 1.4.4CENTRALI ELETTRICHE A COMBUSTIONE DI RIFIUTI 1.4.5ENERGIA NUCLEARE 1.4.6SISTEMIENERGETICI ALTERNATIVI 1.4.7ENERGIA SOLARE 1.4.8CELLESOLARI 1.4.9ENERGIA EOLICA 1.4.10ENERGIA DALLE BIOMASSE 1.4.11ENERGIA DALLA FUSIONE NUCLEARE CAPITOLO2 2.0INTRODUZIONE 2.1GENERALITASULLEMACCHINE IDRAULICHE 2.1.1ENERGIAIDRAULICA 2.1.2TIPI DI TURBINE 2.2MACCHINE TERMICHE 2.3PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DELLE MACCHINE 2.4MOTO DEI FLUIDI PRINCIPI DI IDRAULICA 2.5MOTO DEI FLUIDI IDRODINAMICA 2.5.1EQUAZIONEDI CONTINUITA 2.5.2EQUAZIONE DI BERNOUILLI O DI CONSERVZIONE DELLENERGIA 2.5.3FORMULA DI TORRICELLI 2.5.4TUBO DI VENTURI 2.5.5MISURE DI VELOVITA TUBO DI PITOT 2.5.6RESISTENZEPASSIVE 2.5.7FLUIDI REALI VISCOSITA 2.5.8MOTO LAMINARE E MOTO TURBOLENTO 2.6 PERDITE DI CARICO 2.6.1PERDITE DI CARICO DISTRIBUITE 2.6.2PERDITE DI CARICO CONCENTRATE 4 CAPITOLO3 3.0MACCHINE IDRAULICHE 3.1ENERGIAIDRAULICA 3.2SPINTA SULLA PARETE GENERATA DA UN FLUIDO 3.3EQUAZIONE FONDAMENTALE DELLE TURBINE EULERO 3.4TURBINEIDRAULICHE 3.5TURBINA PELTON 3.6TURBINE A REAZIONE 3.6.1CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE 3.6.2TRASFORMAZIONE ENERGETICA 3.6.3TURBINA FRANCIS 3.6.4TURBINA KAPLAN 3.7REGOLAZIONE CAPITOLO4 4.0MACCHINE IDRAULICHE OPERATRICI 4.1 LE POMPE 4.1.2LE POMPE A STANTUFFO4.1.3LE POMPE CENTRIFUGHE O TURBOPOMPE 4.2CAVITAZIONE 4.2.1ALTEZZAMASSIMADIASPIRAZIONE 4.2.2CURVE CARATTERISTICHE CAPITOLO5 5.1TERMOTECNICA 5.1.1SISTEMI TERMODINAMICI 5.1.2EQUAZIONE GENERALE DI STATO 5.1.3TRASFORMAZIONI 5.1.4CALORE SPECIFICO O MASSICO 5.1.5FUSIONE ED EVAPORAZIONE 5.2TRASMISSIONE DEL CALORE 5.3SCAMBIATORE DI CALORE 5.3.1SCAMBIATORE DI CALORE A CORRENTIPARALLELE 5.3.2SCAMBIATORI CON CAMBIAMENTO DI FASE CONDENSATORE CAPITOLO6 6.1COMBUSTIONEE COMBUSTIBILI 6.1.2POTERE CALORIFICO 6.1.3REAZIONI DI COMBUSTIONE 6.1.4ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE 6.1.5ARIA PRATICA DI COMBUSTIONE 6.1.6PRODOTTI DI COMBUSTIONE 5 CAPITOLO7 7.1TERMODINAMICA 7.1.2PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA 7.2CALORI SPECIFICI O MASSICI 7.3ENTALPIA 7.4TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE 7.4.1LAVORO NELLE TRASFORMAZIONI 7.4.2LAVORO TECNICO 7.5ENTROPIA 7.6DIAGRAMMI DI STATO E VAPOR DACQUA CAPITOLO8 8.1GENERATORI DI VAPORI 8.2SISTEMA ACQUA-VAPORE 8.3PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE 8.3.1TRATTAMENTO DEI RESIDUI 8.4CAMINO 8.4.1TIRAGGIO CAPITOLO9 9.0MACCHINE TERMICHE 9.1CONTINUITADELLA PORTATA E CONSERVAZIONE DELLENERGIA9.2EFFLUSSO DA UGELLI 9.2.1UGELLO DE LAVAL 9.2.2LAMINAZIONE DEL VAPOR DACQUA 9.3EQUAZIONE DI EULERO 9.4PROCESSI NELLE MACCHINE TERMICHE 9.5IL 2 PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA 9.6CICLI TERMODINAMICI 9.6.1CICLO DI CARNOT 9.6.2CICLOOTTO 9.6.3CICLO DIESEL 9.6.4CICLO SABATHE 9.6.5CICLOBRAYTON 9.6.6CICLO RANKINE 9.7TURBINEA VAPORE 9.7.1TURBINA SEMPLICE AD AZIONE DE LAVAL 9.7.2TURBINA AD AZIONE A SALTI DI VELOCITA 9.7.3TURBINA AD AZIONE A SALTI DI PRESSIONE 9.7.4TURBINA A REAZIONE 9.7.5TURBINA MISTA 9.7.6RENDIMENTI DELLE TURBINE A VAPORE 9.8TURBINE A GAS 9.8.1TURBOPROPULSIONE 9.9COGENERAZIONE 6 CAPITOLO10 10.0MOTORI ENDOTERMICI ALTERNATIVI10.1GENERALITA 10.2GRANDEZZE CARATTERISTICHE 10.3CICLI TERMODINAMICI TEORICI 10.4GENERALITA SULLA DINAMICA DEI MOTORI ALTERNATIVI 10.5LAVORO-POTENZA-RENDIMENTI 10.6ORGANI CHE COSTITUISCONO I MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA 10.7DIAGRAMMA DELLA DISTRIBUZIONE 10.8COMMON RAIL CAPITOLO11 11.0MOTORI ENDOTERMICIROTATIVI11.1GENERALITA 11.2 CARATTERISTICHE E CICLO DIFUNZIONAMENTO ALLEGATE LE TABELLE: 1.valori dellacqua 2.calore massico medio dei gas 3.tabella del vapor dacqua saturo 4.tabella del vapor surriscaldato 5.tabella del vuoto 6.valori dellatmosfera normale 7.grandezze fisiche dei corpi solidi 8.grandezze fisiche dei liquidi 9.grandezze fisiche dei gas 10. calori massici medi dei gas ideali 11. esponente isoentropico 12. fluidi frigoriferi 13. combustibili 14. entalpia di reazione 15. diagramma perdite di carico distribuite in tubi di acciaio 16. diagramma del vapor dacqua - Mollier 7 CAPITOLO1 1.0INTRODUZIONE PermoltianniiPaesiindustrializzatihannofattounusodissennatodellefonti energetiche non guardando pi di tanto ai consumi e tanto meno agli effetti sullambiente ditaleuso;orachenuovigrandipaesisistannoaffacciandoprepotentementeallo sviluppoindustriale,sipensiapaesicomeCinaeIndia,ilmondoprendesemprepi coscienza della prossima esauribilit di alcune fonti energetiche e degli effetti devastanti dellinquinamento,per cui non potendo arrestare i consumi, necessario che la crescita delle economie mondiali si ispirial concetto di sviluppo sostenibile intendendoconciunosviluppocheconsentadisoddisfarelenecessitdella generazioneattuale,senzacompromettere per lacapacitdellegenerazioni future di soddisfare le loro necessit. E del tutto evidente che lo sviluppo sostenibile richiede di rendere minimo: Il consumo delle risorse naturali(energia primaria) Il livello di inquinamento dellambiente (aria,acqua e suolo) Non compito di questo testo indicare i modi per raggiungere tali scopi, sufficiente che igiovanichesiaccingonoa studiare questa materiaprendano coscienza delproblema e attivino i loro comportamentia realizzareun uso pi corretto possibile dellenergia. 1.1 LENERGIA Oggipossiamosicuramenteannoverareaccantoaifattoridellaproduzionetradizionali qualilerisorseumane,lematerieprime,lerisorsetecnologiche,lerisorsefinanziarieanche le risorse energetiche che hanno assunto negli ultimi decenni un peso rilevante nel sistema produttivo industriale. Iproblemiconnessiallapprovvigionamentoenergeticoderivantedalpetrolio, attualmentelafontedienergiapivicinaallesaurimento,hannoindottolanecessitdi sfruttare fonti energetiche rinnovabili ed alternative, nonchil miglioramento dei sistemi ditrasformazionedellenergiaenonultimolanecessitdiperseguireilrisparmio energeticocreandolaconsapevolezzachelenergiaunbeneprezioso,noninfinitoe quindi da utilizzare con un giusto criterio. Altroaspettolegatoalrisparmioenergeticodettatodallinquinamentoambientalechecomportaormaimodificazioniclimaticheconconseguenzepericoloseperilfuturo del pianeta. Leffettoserraunaconseguenzadellinquinamentoderivatodallecombustioni.La combustione dei combustibili fossili provoca un gas (anidride carbonica) che il maggior 8 responsabiledelleffettoserra(altrigassonometano,protossidodiazotoe clorofluorocarburi,ozono).Ilfenomenosipusintetizzarecolfattochequestigas presentineglistratisuperioridellatmosfera,purnonimpedendoallalucesolaredi raggiungere la terra, ostacolano la dispersione nello spazio del calore solare riflesso dalla superficieterrestre;vieneridottoquindilirraggiamentotermicoversolospazioche equilibra il riscaldamento terrestre provocato dal sole e la conseguenza linnalzamento della temperatura media del globo con tutte le conseguenze ad esso collegate. Lutilizzazione dei combustibili fossili, oltre al sopradetto effetto serra, comporta un altro grave problema come lenorme quantit di sostanze nocive introdotte nellatmosfera con lacombustione.Iltrafficoconimotoriascoppioedieselunodeimaggiori responsabili. Lacombustioneproducenonsoloanidridecarbonica(CO2),maancheossididiazoto genericamenteindicaticonNOxeanidridesolforosa(SO2)checomeconseguenza provocanolepioggeacide.Imaggioriproduttoridiquestesostanzesono:iltraffico, le aziende ma anche le abitazioni, le industri e le centrali elettriche a combustibile fossile. Eperquestimotivichesistannosperimentandolemacchineaidrogenoinquanto questo,producendocomeprodottodellacombustioneacquacaldaovapore,non assolutamenteinquinante.Laffermazioneditalimacchinesiavrquandodiverr economicamente conveniente la produzione di idrogeno per lautotrazione. Negli ultimi anni i paesi industrializzati hanno preso misure atte aproteggere lambiente. EquindiobbligatoriolimitarelemissionediSO2eNOxsottodeterminativalori. Adottarequestemisureassaicostoso,adesempioinunacentraleacarboneilcosto degliimpiantinecessarialladepurazionepuraggiungereancheil30%delcostodi investimento. Il processo di depurazione dei gas combustiprevede in genere tre impianti: -filtri elettrostatici -impianti di desolforazione -impianti di denitrurazione 1.2 FONTI DI ENERGIA Le fonti di energia possono classificarsi in: -fonti rinnovabili -fonti non rinnovabili -fonti alternative Alla prima categoria appartiene lenergia idraulica perch lacqua al termine del ciclo di utilizzazione nelle centrali viene restituita allambiente.Anche lenergia solare, lenergia eolica e lenergia delle maree sono rinnovabili. Le fonti di energia non rinnovabile sono i combustibili fossili, sia liquidi, solidi o gassosi che quando vengono combusti non hanno poi possibilit di ricostituzione. Altra fonte non 9 rinnovabilelenergianucleare,maancheirifiutisolidiurbanichepossonoessere bruciati per produrre energia elettrica. Lefontidienergiaalternativesonocostituitedanuovefontidienergiadinatura rinnovabileononrinnovabileche,seppuresperimentate,nonsonoancoracompetitive (es. le energie fotovoltaiche, lidrogeno, le biomassemaree, sole, ventoetc). 1.3 SISTEMI ENERGETICI Isistemienergeticianalizzanolatrasformazionedellenergiaprimaria(idraulica, termica,nucleare,solare,eolica,etc.)inenergiautilizzabile(luce,energiaelettrica, energia meccanica, energia chimica, energia termica ). Lenergia si presenta sotto diverse forme: -energia elettrica (corrente elettrica di una certa intensit ad un certo voltaggio) -energia meccanica usata nellazionamento di macchine -energia termica latente nei combustibili -energia nucleare latente nei materiali fissionabili -energia idraulica-energia solare ottenuta dallirrraggiamento del sole -energia eolicaottenuta dal vento -etc. La trasformazione di energia da una forma ad un'altra ottenuta in appositi impianti ed sempre accompagnata da una perdita.Ogni trasformazione ha quindi un rendimento dato dal rapporto fra lenergia prodotta e quella consumata. Alcuni rendimenti tipici indicativi sono: -motori elettrici 90% -produzione energia elettrica nelle centrali idrauliche 85% -produzione energia elettrica nelle centrali termiche 37% -motori a combustione interna 30% -produzione energia elettrica nelle celle solari 12% Laperditasipresentacomeformadicalorenonulteriormenteutilizzabileeprivodi valore che si esprime in un aumento di entropia concetto che impareremo a comprendere nello studio della termodinamica. 1.4SISTEMI ENERGETICI IN USO Molta dellenergia primaria posseduta dalle fonti energetiche naturali viene trasformata in energia elettrica nelle centrali. Lenergia elettrica presenta i seguenti vantaggi: Si pu trasportare a distanza con costi contenuti dove pu venire utilizzata per gli usi pi disparati Pu essere utilizzata a secondo delle necessit Non vi produzione di componenti nocivi durante il suo utilizzo 10 1.4.1 ENERGIA IDROELETTRICA Utilizzaunafonteenergeticarinnovabileperchlerisorseidrichenegliinvasisono ricostituite attraverso il meccanismo della evaporazione sui mari e la ricaduta attraverso lepiogge.Lemacchinechetrasformanolenergiadellacquainenergiameccanicasi chiamano turbine. Le turbine usate nelle centrali idrauliche possono essere del tipo Pelton, Francis, Kaplan. Le centrali idrauliche possono essere: Centraliabacino(sbarramentidivallatecondigheequindiaccumulodacqua negli invasi cos ricavati) Centrali a pelo dacqua (sbarramento di fiumi per creare dislivelli utilizzabili) Centralidipompaggio(persopperireallerichiestedipunta;utilizzano in genere duebacini,unoinferioreelaltrosuperioreefunzionanoutilizzandolenergiaa basso costo della notte per pompare acqua dal bacino inferiore al superiore e se la richiestagiornalieraeccedelarichiestatradizionaleentranoinfunzioneper evitare i black-out.) 1.4.2CENTRALI ELETTRICHE A COMBUSTIBILE FOSSILE Utilizzanoilcarbonecomeenergiapreminente,maanchepetrolioegasnaturale.Il rendimento della trasformazione della energia primaria in energia elettrica mediamente 37-38%eraggiungeinqualchecaso40-41%.Ilbassorendimentodovutoalciclodel vapore nelle centrali termiche. Ciclo di una piccola centrale a vapore:da un serbatoio di acqua di alimentazione, lacqua vieneprelevatadaunapompadialimentazioneeportata sotto pressione in caldaia. Qui avvieneilprocessodievaporazioneseguitoeventualmentedalprocessodi surriscaldamento.Tramiteunavalvoladiammissioneilvaporepassainturbinadovesi espandeproducendoenergiameccanicasullassedellaturbina.Altermine dellespansione il vapore viene riportato allo stato liquido nel condensatore.La perdita termicanel condensatore circa il 70%, quindi il rendimento approssimativo diquestecentraliil30%.Ilcicloavaporeassaipicomplessousatonellegrandi centrali permette i rendimenti sopra indicati. 11 12345678910111 -caldai a2 -surr iscaldatore3 - valvoladiammi ssi one4 -turbina5 -alter natore6 - condensatore7 - pompaestrazi onecondensato8 -preri scaldatore a bassapr essione9 - ser batoi o dialimentazi one10- pompadi ali mentazi one11- preri scaldatoredialta pr essi one Se lenergia termica di scarico dallamotrice viene utilizzata economicamente per scopi industrialicongliimpiantidicogenerazione , si pu raggiungere indici di utilizzazione del combustibile primario assai alti con rendimenti dell80%. . Lacogenerazioneriuniscelaproduzionedielettricitedienergiatermicainununico complesso.Esistonoduetipidiversidiimpiantoasecondadelladiversautilizzazione temporale della energia di scarico rispetto allenergia elettrica: impianti per usi industriali impianti di teleriscaldamento Nelprimocasolenergiatermicavienemessaaserviziodigrandiindustrie(grandi cartiere,impiantichimici)limitrofiallacentraleperbuonapartedellanno;avoltetali impiantiproducono lenergia elettricae termica per se stessi. Nelsecondocasolenergiatermicadiscaricovieneutilizzatainzoneperil riscaldamentourbano,ilcosiddettoteleriscaldamento,eancheinquesticasisipu raggiungererendimentidell80%neiperiodidimassimosfruttamentodel teleriscaldamento, ossia nei mesi invernali. Vi sono centrali cosiddette combinate perch funzionano con turbine a gas e con turbina a vapore aventi rendimento di impianto pi elevati.Il ciclo di base di queste centrali il ciclo a recupero. In questo ciclo il calore latente dei gasdiscaricodellaturbinaagasvieneutilizzatoperlaproduzionedivaporeinuna caldaia a recupero di calore vapore che viene poi utilizzato in una turbina . 1.4.3 SVILUPPINELLA TECNICA DELLE CENTRALIELETTRICHE Perrenderepiecologichelecentraliacarboneesisteunatecnicadenominata combustione a letto fluido. 12 A differenza degli impianti convenzionali a combustione di polverino di carbone, con la combustionealettofluidoivalorilimitediSO2eNOxvengonorispettatisenzadover istallare a valle costosi impianti di depurazione dei fumi. La temperatura del letto fluido di 700-850C contro i 1440-1500Cdella combustione tradizionale. Illettocostituitopercircal1%dacarbone99%daceneriematerialiinerti incandescentitenutosospesodallariadicombustionesoffiataavelocitdi5m/s.La combustionealettofluidooltrearidurrelaformazionedianidridesolforosaeossididi azoto realizza anche una combustione pi completa. 1.4.4 CENTRALI TERMICHE A COMBUSTIONE DI RIFIUTI A fronte di una auspicata minor produzione di rifiuti ed ad un maggior loro riutilizzo, la migliorpossibilitdismaltimentorappresentatadallincenerimentoconproduzionedi energia. Ilcontributoenergeticodeirifiutidomesticirestercomunquepocosignificativo risultando certamente inferiore al 2%dellenergia primaria di un paese. Resta comunque notevoleilcontributoallaprotezioneecologicadellambienteconlariduzionedelle discariche;naturalmenteamontedituttovidovressereunaraccoltadifferenziatadei rifiuti da parte dei cittadini. Nellegestionediquestiimpiantivisonoancoraproblemidiinquinamentocausato dallincenerimento dei rifiuti e quindi sono in fase evolutivaper ridurre questi problemi. Un metodo lo sviluppo dei forni a letto fluido che consentono la drastica riduzione delle diossine,un'altratecnicachehadatobuonirisultatilacombustioneindifettodi ossigeno. 1.4.5ENERGIA NUCLEARE Latomocostituitodaunnucleocentralecompostodaneutronieprotoniacarica positiva. Il numero atomico il numero di protoni del nucleo. Il numero di massa la somma del numero di protoni e neutroni del nucleo. Leproprietchimichedellelementodipendonodalnumeroatomico,lepropriet nucleari dal numero di massa. Infattilareazionedicombustionedeicombustibilifossiliavvieneperinterscambiodi elettroni fra combustibile e comburente lasciando inalterati i nuclei degli atomi. Lareazionenucleareavvienenelnucleodegliatomidellamateria,edhacome conseguenza la trasformazionedella natura dellatomo. Gli atomi iniziali si trasformano in altri di altra natura. Dallafissionedelluranio235(natomico95endimassa 235)si ricavano prodotti di fissioneconnumerodimassavariabileda120a150chesonosostanzecompletamente diverse dalluranio. 13 La fissione, cio la suddivisione di un atomo di U235 in due atomi pi leggeri, libera una partedellenergiadivincolochetieneunitoilnucleodelluranio,incrementataanche dallenergia di vincolo dei neutroni che non entrano pi nei nuclei pi leggeri che si sono formati.Questa lenergia nucleare. Glielementipresentiinnaturasonoinmaggioranzastabili,visonoperelementiche presentanostruttureatomichecompostedallostessonumerodiprotoni,madifferente numero di neutroni, questi si chiamano isotopi. LUraniohatreisotopiU234,U235,U238dicuiilprimostabile,ilsecondo fissionabile,ilterzopuassorbireunneutroneetrasformarsiinplutonioasuavolta fissionabile.Altri elementi fissionabili sono Rodio, Torio e Polonio. Tantoper esemplificare e far comprendere la capacit energetica potenziale delluranio, con la fissione di un Kg si liberano 82 GigaJ, corrispondenti al potere calorifico di ben 3 Ton di antracite. La produzione di energia tramite il nuclearevariamolto da paese a paese, quindi mentre in Italia 0%,in Francia il 75%, in Svizzera il 40%, inGiappone il 35%, in Germania il 30% , in Inghilterra il 25%, in USA il 15%. Latecnicadellosfruttamentodellenergiapermezzodellafissionenuclearestata rapida: -1932scoperta del neutronenel nucleo dellatomo -1938scoperta che il nucleo dellatomo di uranio pu essere scisso conbombardamento di neutroni -1942Fermi riesce a controllare la reazione a catena della fissione nucleare -1951viene prodotta per la prima volta energia elettrica derivante dal nucleare Da allora lo sviluppo stato rapido,determinante stato il vantaggio di un fabbisogno minimodicombustibile(1KgdiUraniocorrispondeenergeticamentea3000tdi carbone). Ilproblemamaggioresono le scorie nucleari radioattive, la cui radioattivit si mantiene per migliaia di anni quindi necessitano di depositisicuri e permanenti ma esiste anche la probabilit di contaminazione radioattiva nel caso di perdite di liquido. 1.4.6 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Isistemienergeticialternativisidifferenzianodaitradizionalisistemienergeticiperil loro carattere di rispetto dei parametri ecologici.Essi non presentano scarichi e si tratta soprattuttodisistemiadenergiasolareedenergiaeolica.Lalorocaratteristicala limitazionedellepotenzerealizzabilipraticamente,notevolmenteinferioreaquelle ottenute con gli impianti convenzionali. 1.4.7 ENERGIA SOLARE Eunafontedienergiainesauribileilcuiutilizzoassolutamenteecologico.Illato negativolasuadisponibilitchesipuottenereconunadensitridotta(100W/m2), inoltrerichiedeampiesuperficiedsoggettaalciclogiorno-notteealleoscillazioni stagionali. 14 Le forme principali di sfruttamento sono lenergia fotovoltaica, lenergia termosolare per la produzione di energia elettrica (centrali a torre solare e centrali a cilindro parabolico) ed i collettori solari per la produzione di calore a bassa temperatura. 1.4.8ENERGIA FOTOVOLTAICA Lagenerazionedienergiaelettricainimpiantifotovoltaiciconlimpiegodicellesolari offreilvantaggiodiprodurrecorrentedirettamentenellacellaed attualmente la fonte alternativa che si tende aspingere maggiormente anche con incentivi statali. Limpianto non richiede manutenzione salvo periodica pulizia dei pannelli, n organi in movimento. Lecellesolarifunzionanoraccogliendolaradiazionesolareancheconlucediffusa sfruttandoilcosiddettoeffettofotovoltaicobasatosulleproprietdialcunimateriali semiconduttori.Losvantaggiocostituito dai costi elevati e dal basso rendimento delle celle. Le celle sono costituite da silicio (elemento molto diffuso sulla terra) che un materiale semiconduttore trattato con boro e con fosforo per ottenere nella cella un campo elettrico.Ilmaterialedipartenzaperlafabbricazionedicelleal45%costituitodasilicio monocristallino(costoso,mapermetteunpialtorendimento15%,vieneimpiegato prevalentementeinastronautica);al30%dasilicioamorfo(pococostoso,rendimento 6%e si impiega solo nelle calcolatrici e negli orologi); al25% da silicio policristallino impiegato per gli impianti di maggior potenza (rendimento 12%). LusodiArseniurodiGalliocheharendimentielevatissimi(40%)mahauncosto proibitivovieneattualmenteusatoinimpieghimilitarioapplicazioniscientifiche avanzate. Unmodulofotovoltaico,formatoda36celle,haunasuperficiedicircamezzometro quadrato ed capace di produrre , in condizioni standard, circa 50 watt. Ne segue che per un Kwdi potenza prodotta occorrono circa 10 mq di pannelli. I sistemi fotovoltaici si distinguono in sistemi isolati e sistemi collegati alla rete. Isistemiisolatidevonoessereprovvistidiunsistemadiaccumulo(batteriee dallapparecchiodicontrolloeregolazionedellacarica)perpermetteredifar fronte a punte di carico e garantire continuit della erogazione dellenergia anche in caso di basso irraggiamento Poichlenergiaprodottaditipocontinuo(CC)qualorasiadestinataad apparecchichefunzionanoinCAnecessariointrodurrenelsistemaun dispositivo inverter che converte da CC a CA. Nei sistemi collegati alla rete linverter sempre presente mentre non previsto il sistemadiaccumulo,poichlenergiaprodottaduranteleorediinsolazione immessa direttamente nella rete mentre nelle ore notturne si attinge dalla rete. Un apparecchio provvede a scalare la differenza dal contatore. 15 1.4.9ENERGIA EOLICA I nuovi generatori eolicipresentano rotori in genere a tre pale, velocit di circa 100g/1 , avendo bassa coppia di spinta coprono un ampia gamma di velocit di vento.Presentano unrendimentocomplessivo~45%,sonoad asse orizzontale parallelo alla direzione del ventoevengonoistallatiinzonedovevicostanzadiventi(Sardegna,Danimarca, Olanda).Lapotenzadiunrotoreconpaledi35mdiraggio,sutorrialte90mpu raggiungere 2-3 MW. La legge diBetzcalcola la potenza con la formula: P = A v3 Cp

Dove: - la densit dellaria funzione della temperatura e della pressione (a 20C e a pressione atmosferica 1.013 barvale 1.2 Kg/m3 ) -A larea in m2descritta dal rotore -v la velocit del vento in m/sec -rendimento dovuto alla trasformazione dellenergia meccanica in elettrica ~ 0.80 -Cpcoefficiente di prestazione = 0.50 per rotori a tre pale =0.48 per rotori a due pale Esempio: Quanta energia pu produrre in un ora un generatore a elica con tre pale dilunghezza 35 mtinvestite da una velocit media di vento pari a 36 Km/h ? Applichiamo la legge di Betz: P = x 1.2 x x 353 x 36/3.6 x 0.8 x 0.5 =341230 w = 341,23 Kw 1.4.10 ENERGIA DALLE BIOMASSE La produzione energetica da biomasse pu suddividersi in: -combustione di legname e torba -coltivazione di piante per la produzione di carburante liquido o gassoso -produzione di biogas da rifiuti agricoli e industriali Il primo caso non pu avere sviluppi.Il secondo caso richiede ampie superfici sottratte allaproduzioneagricoladigenerialimentari;lunicoesempiodiapplicazionesularga scalalabenzinaecologicabrasilianaottenutadallacannadazucchero.Leautoin Brasile funzionano od ad alcool puro o ad una miscela benzina-alcool.Il terzocaso il pipromettenteperchsipotrebbebasaresullosfruttamentodeirifiutiorganici,trova applicazione in paesidel terzo mondo. I rifiuti organici vengono decomposti dallattivit microbicainunacameradidigestioneinassenzadiaria(digestioneanaerobica)dando origine alla formazione di gas.Il gas ottenuto formato dal 40 - 70% da metano e da 60-30%daanidridecarbonica.Ilresiduodelladigestioneuncompostoadattoalla concimazione se non contiene allorigine sostanze tossiche. 1.4.11ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE 16 Achiusuradellapanoramicadelleenergienonpossiamofareunaccennoallenergia derivabile dalla fusione nucleare perch potrebbe risultare nel lungo periodo la soluzione dei problemi energetici della terra. La fusione nucleare quella che si sviluppa sulle stelle e quindi anche sul sole che sono quindi dei reattori nucleari naturali. Ilprincipiodellafusionenucleareconsistenelprenderedueatomiforzandolia combinarsi per formarne uno solo. Latomo risultante ha una massa leggermente inferiore aquelladellasommadeidueatomiinizialipercuiquestadiminuzionedimassasi trasforma in energia secondo la relazione di Einstein E=mc2 dove m la massa scomparsa e c la velocit della luce nel vuoto. Inuclei pi leggeri sono pi facili da fondere ne quindilidrogeno che lelemento pi diffusonelluniversosiprestabeneadivenireilcombustibilenucleare.Laricerca attualmenteorientataallafusionedeidueisotopidellidrogenodeuterioetriziochesi possono ottenere dallacqua.Questaenergia,oltrecherisultarepraticamenteinesauribile,risolverebbeancheil problema delleffetto sera in quanto non produce anidride carbonica e inoltre presenta un basso livello di radioattivit. Purtroppoatuttogginoncisonoprevisionicertedivederrealizzatientropochiannii primireattorinucleariinquantoleconoscenzescientifichenonhannotrovatopratica applicazioneperdifficoltdicaratteretecnologico(comeilcontrollodelletemperature intornoalmilionedigradi).Comunquelericerchecontinuanointuttiipaesipi industrializzaticonlaFrancia,sostenutadallUnioneEuropea,inprimafilaper realizzare il primo reattore nucleare funzionante. CAPITOLO2 MACCHINE A FLUIDO 2.0INTRODUZIONE Laformadiutilizzopiconvenientedellenergialenergiaelettricafacilmente utilizzabile perch a disposizione dellutente nel luogo e nella quantit desiderata. Unavoltaottenutadallenergiaprimarialenergiameccanica,questadeveessere trasformata in energia elettrica per mezzo dei generatori di elettricit. Lemacchinemotricioperanolatrasformazionedellenergiaprimariadisponibilein lavoro meccanico sullalbero della macchina.(turbine) La trasformazione inversa dal lavoro meccanico in energia potenziale idraulica o termica si opera nelle macchine operatrici. (pompe) Lemacchineafluidopossonoavereunflussodifluidointermittenteequindisi denominanomacchinevolumetriche(pompealternativeeassimilabili,motoria combustioneinternaetc.)opureseilflussocontinuovengonodenominate turbomacchine(turbine, pompe e compressori centrifughi etc.) 17 Si definisce energia specificail salto Y utilizzabile nelle macchine a fluido (KJ/Kg). - nelle macchine idrauliche:Y = gH(acc. di gravit per il salto utilizzabile in m) - nelle macchine termiche:Y = h(salto entalpico) La potenza,se introduciamo la portata massica m ,: - nelle macchine motrici:P =m Y - nelle macchine operatrici:P = m Y / dove nita EnergiaForlizzata EnergiaUti= rappresenta il rendimento della macchina 0