Ministero dell’Istruzione

Università di Camerino

CORSO P. A. S. C320Laboratorio di macchine a

fluidoMarzo 2014 - IIS Mattei Recanati

L 2 Prof. Nazareno Agostini

Molta dell’energia primaria posseduta dalle fonti energetiche naturali viene trasformata in energia elettrica nelle centrali. Vantaggi: trasporto a distanza, uso secondo necessità, assenza di elementi nocivi durante l’utilizzo.

SISTEMI ENERGETICI IN USO

ENERGIA IDROELETTRICA

Le macchine che trasformano l’energia dell’acqua in energia meccanica si chiamano turbine. Pelton, Francis, Kaplan.Le centrali idroelettriche possono essere:• Centrali a bacino (sbarramenti di vallate con dighe e quindi ad

accumulo d’acqua negli invasi).• Centrali a pelo d’acqua (sbarramento di fiumi per creare

dislivelli utilizzabili).• Centrali di pompaggio (per sopperire alle richieste di punta

utilizzano in genere due bacini, uno inferiore e l’altro superiore e funzionano utilizzando l’energia a basso costo della notte per pompare acqua dal bacino inferiore al superiore).

CENTRALI A COMBUSTIBILE FOSSILE

Energia da: carbone, petrolio, gas naturale, rifiuti urbani.Ciclo del vapore: acqua di alimentazione portata sotto pressione in caldaia. Qui avviene il processo di evaporazione seguito eventualmente dal processo di surriscaldamento del vapore che passa in turbina dove si espande producendo energia meccanica. Al termine dell’espansione il vapore viene riportato allo stato liquido nel condensatore.

CENTRALI A COMBUSTIBILE FOSSILE

Impianti per usi industriali o per teleriscaldamentoCogenerazione: produzione di energia elettrica e termica, con rendimenti dell’80%.

La reazione nucleare avviene nel nucleo degli atomi della materia. La fissione, cioè la suddivisione di un atomo di U235 in due atomi più leggeri, libera una parte dell’energia di vincolo che tiene unito il nucleo dell’uranio, incrementata anche dall’energia di vincolo dei neutroni che non entrano più nei nuclei più leggeri che si sono formati. 1 Kg di Uranio corrisponde energeticamente a 3000 t di carbone.La produzione di energia tramite il nucleare varia molto da paese a paese, quindi mentre in Italia è 0%, in Francia è il 75%, in Svizzera il 40%, in Giappone il 35%, in Germania il 30%, in Inghilterra il 25%, in USA il 15%.

CENTRALI NUCLEARI

ENERGIA NUCLEARE

Uno dei problemi è quello delle scorie nucleari, la cui radioattività si mantiene per migliaia di anni quindi necessitano di depositi sicuri e permanenti. Esiste anche la probabilità di contaminazione radioattiva nel caso di perdite di liquido.

ENERGIA SOLARE

E’ una fonte di energia inesauribile il cui utilizzo è assolutamente ecologico. Il lato negativo è la sua disponibilità che si può ottenere con una densità ridotta (100 W/mq), richiede quindi ampie superfici ed è soggetta al ciclo giorno-notte e alle oscillazioni stagionali.Le forme principali di sfruttamento sono l’energia fotovoltaica, l’energia 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.

SOLARE TERMICO

Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di catturare l‘energia solare, immagazzinarla e usarla nelle maniere più svariate, in particolare ai fini del riscaldamento dell‘acqua. Nel caso si utilizzi il calore del sole per produrre corrente tramite l'evaporazione di fluidi vettori che alimentano turbine collegate ad alternatori si parla di impianto solare termodinamico.

La generazione di energia elettrica in impianti fotovoltaici con l’impiego di celle solari sfrutta l’effetto fotovoltaico basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori. Il silicio (elemento molto diffuso sulla terra) che è un materiale semiconduttore trattato con boro e con fosforo per ottenere nella cella un campo elettrico. I sistemi isolati devono essere provvisti di un sistema di accumulo (batterie e dall’apparecchio di controllo e regolazione della carica). Poiché l’energia prodotta è di tipo continuo (CC) qualora sia destinata ad apparecchi che funzionano in CA è necessario introdurre nel sistema un dispositivo “inverter” che converte da CC a CA.

SOLARE FOTOVOLTAICO

ENERGIA EOLICA

I nuovi generatori eolici presentano rotori in genere a tre pale, velocità di circa 100 g/1’, avendo bassa coppia di spinta coprono un’ampia gamma di velocità di vento. Presentano un rendimento complessivo ~ 45%, sono ad asse orizzontale parallelo alla direzione del vento e vengono istallati in zone dove vi è costanza di venti (Sardegna, Danimarca, Olanda). La potenza di un rotore con pale di 35 m di raggio, su torri alte 90m può raggiungere 2-3 MW.

IMPIANTI A BIOGAS

Con il termine biogas si intende una miscela di vari tipi di gas (per la maggior parte, 50% - 80% metano) prodotti dalla fermentazione batterica in anaerobiosi (assenza di ossigeno) dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza, liquami zootecnici, fanghi di depurazione, scarti dell'agro-industria. L'intero processo vede la decomposizione del materiale organico da parte di alcuni tipi di idrobatteri, producendo anidride carbonica, idrogenomolecolare e metano (metanizzazione dei composti organici).

IMPIANTO A BIOGAS

Parti costituenti un impianto a biogas da depurazione di reflui: Serbatoio in cui viene depositata la biomassa e

periodicamente aggiunta quella fresca; per aumentare la percentuale di umidità della sostanza organica di partenza si aggiunge solitamente un minimo d'acqua.

Dispositivo di regolazione della portata, che consente al refluo di entrare per gravità nell’impianto;

Miscelatore, necessario per garantire una certa omogeneità del liquame ed evitare il formarsi di eventuali sedimenti.

Digestore anaerobico, ermeticamente chiuso e coibentato, in cui il liquame precipita nella parte inferiore, mentre il biogas gorgoglia verso la parte superiore del digestore.

Recipiente esterno dove viene convogliato il liquame digerito. Serbatoio finale di stoccaggio.

IMPIANTI A BIOGAS

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IMPIANTI A BIOGAS

Alcuni limiti: Per alimentare una centrale da 1 MW occorre coltivare

un terreno di circa 300 ha sottratto alla produzione di derrate alimentari per l'alimentazione umana o animale.

I terreni vengono irrorati con dosi massicce di fertilizzanti e di pesticidi, con pericolo di inquinando delle falde acquifere sottostanti.

Esiste il problema dei cattivi odori emessi dalla fermentazione.

Impiego del calore in eccesso - rete di teleriscaldamento. Transito di centinaia di camion se non attivata una filiera

corta di produzione.

IMPIANTI A BIOMASSA

CONVERSIONE TERMOCHIMICA

La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l’applicazione di calore, in assenza di ossigeno.

La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco di carbonio, (carbone, petrolio, biomassa, idrogeno). Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di ossigeno.

CONVERSIONE BIOLOGICA

La fermentazione è un processo ossidativo anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di particolari sostanze chimiche.

La digestione è il processo chimico e/o meccanico che trasforma e riduce i tessuti biologici complessi in molecole più semplici.

BIOMASSA

Frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.

BIOMASSA

Le biomasse possono essere caratterizzate da 3 diversi criteri: il contenuto di acqua (la biomassa si trova in condizioni

fresche o asciutte) la sua origine (la biomassa proviene da piante, animali) vitalità (ci sono organismi morti o vivi al suo interno)

Biomasse secondo origine Fitomassa: la biomassa proviene da piante Zoomassa: la biomassa proviene da animali Biomassa microbica: la biomassa proviene da microorganismi. Biomassa secondo vitalità. Biomassa vivente: è costituita da elementi viventi Biomassa morta: è costituita da elementi morti

BIOMASSA

Dalla fermentazione di canna da zucchero, barbabietole, mais, si ricava l‘etanolo o alcool etilico, che può essere utilizzato come combustibile per i motori endotermici, in sostituzione della benzina.

Dalle biomasse oleaginose (quali ad esempio la colza e la soia) si può ricavare per spremitura il biodiesel.

Combustibili ecologici: il bioetanolo, il biodiesel, il biometanolo, il biodimetiletere, gli idrocarburi sintetici, il bioidrogeno, gli olii vegetali.

ENERGIA GEOTERMICAE’ l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore ed è una forma di energia rinnovabile. La prima utilizzazione dell'energia geotermica per la produzione di energia elettrica avvenne nel 1904 a Larderello in Toscana. L'energia geotermica costituisce oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia.

CENTRALI GEOTERMICHESfruttano il calore geotermico. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo, liberamente oppure canalizzato tramite perforazione geologica in profondità, produce una forza tale da far muovere una turbina. I sistemi geotermici possono essere a vapore dominante, quando l'alta temperatura determina la formazione di accumuli di vapore, o ad acqua dominante, se l'acqua rimane allo stato liquido. Nel primo caso l'energia geotermica può essere utilizzata per produrre energia elettrica, inviando il vapore, attraverso dei vapordotti, a una turbina collegata a un generatore di corrente. Se il fluido non raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l'acqua calda potrà essere utilizzata per la produzione di calore.

GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA

Il sottosuolo è un serbatoio di calore. Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso, presente negli edifici, viene dato al terreno. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore. Normalmente, già ad un metro di profondità, si riescono ad avere circa 10-15 °C. Per rendere l'impianto ambientalmente più compatibile ed energeticamente autosufficiente, si può abbinare ad un impianto fotovoltaico che produrrà l'energia necessaria per alimentare la pompa di calore. Lo stesso impianto può essere utilizzato per raffrescare gli edifici, facendo funzionare la pompa di calore al contrario, quindi assorbendo il calore dalla superficie e trasferendolo al sottosuolo.

GAS DELLE ROCCE

GAS DELLE ROCCE

Lo shale gas è gas metano estratto da giacimenti non convenzionali in argille derivate dalla decomposizione anaerobica di materia organica contenuta in argille e intrappolato nella microporosità della roccia. Si stima che la nazione con la più grande riserva di gas da argille sia la Cina. Il gas da argille ha attirato notevole interesse economico negli ultimi due decenni soprattutto negli Stati Uniti, dove la produzione di questo gas ha avvicinato il paese all'indipendenza energetica e fatto crollare i prezzi del metano a livello mondiale.

ENERGIA DAL MARE

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ENERGIA DAL MAREEsistono diversi progetti di sfruttamento delle maree per produrre energia: sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità; compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di

turbine in seguito alla sua espansione; movimento di ruote a pale; riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in

turbine. Quest’ultimo sembra dare i migliori risultati, nell'effettivo impiego. Il problema più importante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo sfasamento tra massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è prevedibile sulla base delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle ore di punta.

RENDERE SEMPLICE CIO’ CHE E’ COMPLESSO

Una teoria è tanto più importante quanto maggiore è la semplicità delle sue premesse, quanto più diversi sono i tipi di cose che correla e quanto più esteso è il campo della sua applicabilità.

Albert Einstein

VISCOSITA’

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La viscosità rappresenta l'attrito interno di un liquido ed esprime la maggiore o minore facilità di scorrimento di uno strato del liquido rispetto ad uno strato adiacente.

VISCOSIMETRO DI ENGLER

VISCOSIMETRO DI ENGLER

Efflusso per gravità, di una data quantità di liquido (200 ml), attraverso un foro calibrato, in regime di moto turbolento.

Lo strumento normalizzato secondo le norme ISO DIN è costituito da un recipiente in ottone, immerso in una vasca termostatica.

Il serbatoio piccolo (vasca A) contenente 220 ml di olio, (quantità leggermente superiore rispetto al volume che effluirà nel matraccio) di cui si deve misurare la viscosità. Tale recipiente è chiuso in alto con un coperchio adeguatamente isolato con l’ambiente esterno.

VISCOSIMETRO DI ENGLER

Il pelo libero del volume di olio deve essere livellato. Il recipiente piccolo (vasca A) è immerso in un serbatoio termostatico ad acqua (vasca B) più grande, corredato di agitatore ad azionamento manuale, necessario per uniformarne la temperatura durante la prova.Nel serbatoio piccolo contenente l'olio è immerso un altro termometro la temperatura interna. Un'asta di ottone col puntale in legno regola l'apertura dell’orifizio del tubo di efflusso disposto in basso al serbatoio ed in asse con lo stesso. Una resistenza elettrica, disposta a corona nella parte bassa della vasca termostatica, ne riscalda l'apparecchio fino a raggiungere l'equilibrio termico alla temperatura di prova. Si predispone, al di sotto dell'incastellatura e in asse con lo strumento, un matraccio da 200 ml e dopo aver sollevato l’asta si misura con un cronometro il tempo di efflusso attraverso il foro calibrato.

VISCOSITA’ CINEMATICA E DINAMICA

Si definisce viscosità cinematica il rapporto fra la viscosità dinamica e la densità del fluido.

La viscosità dinamica indica la capacità del fluido di manifestare attrito, ma non indica quanto moto si trasmette.

Un fluido con viscosità nulla è detto fluido ideale.

Viscosità Engler

Viscosità Engler °EE°=tempo efflusso olio a x °C/tempo efflusso acqua distillata a 20°C

Viscosità cinematica q (ni)10-6 • (7,317 °E-6,313/°E) [mq/sec]

Viscosità dinamica h (mi)

q•r [mq/sec•Kg/mc] = [Kg/m•sec] = [N•sec/mq] = [Pa•sec]

VISCOSITA’

La tabella SAE J300 (Society of Automotive Engineers) classifica gli oli motore in base alla viscosità, non tenendo conto di nessun'altra caratteristica del lubrificante.

Il primo numero della classificazione seguito dalla lettera "W" (Winter) e dal successivo numero, indicano l'intervallo di temperatura esterno per cui quel tipo di olio mantiene una soddisfacente viscosità cinematica.

Si definisce "mono grado" un olio che garantisce una sola prestazione, a freddo o a caldo, indicata nella tabella (ad esempio: SAE 10W, SAE 50).

VISCOSITA’

Si definisce "multigrado" un olio che garantisce sia una prestazione a bassa temperatura che una ad alta temperatura (ad esempio: SAE 5W30, SAE 15W50).

Temperatura minima di funzionamento del motore (temperatura invernale), temperatura massima (temperatura estiva): è fondamentale scegliere un olio che resti sufficientemente fluido a bassa temperatura per garantire un facile avviamento, ma che allo stesso tempo assicuri un mantenimento soddisfacente della viscosità quando il motore è sotto sforzo.

Altre caratteristiche fondamentali del lubrificante (come resistenza meccanica, antischiuma o resistenza alla temperatura) sono invece stabilite dalle specifiche internazionali (API, ACEA, JASO).

MASSA VOLUMICA DENSITA’ PESO SPECIFICO

MASSA VOLUMICA ASSOLUTA (DENSITA’ ASSOLUTA) = MASSA/VOLUME

DENSITA’ RELATIVA = MASSA VOLUMICA DELLA SOSTANZA/MASSA VOLUMICA ACQUA (adimensionale)

PESO SPECIFICO = PESO/VOLUME

DENSITA’ Nel SI la densità si misura in Kg/mc

Nei fluidi, i corpi con densità minore galleggiano su quelli a densità maggiore in base al principio di Archimede.

Bisogna fare attenzione a non confondere il concetto di densità assoluta (che è la misura di una massa diviso un volume) con quello di densità relativa (che è invece una grandezza adimensionale).

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