caricato da corial63

macchine a fluido carrara [Sola lettura]

annuncio pubblicitario
Introduzione alle
Macchine Operatrici
(macchine a fluido)
IV A
IPS M.CARRARA
Macchine Operatrici
Nel presente modulo si vogliono fornire cenni circa le principali macchine
operatrici impiegate negli impianti di climatizzazione – pompe, ventilatori e
compressori.
OBIETTIVI
Conoscere le grandezze caratteristiche delle macchine;
Saper individuare il punto di funzionamento di una macchina in
rapporto all’impianto in cui è installata.
saper scegliere la macchina più idonea in rapporto all’impianto
mediante l’uso di grafici e tabelle.
saper calcolare le grandezze fondamentali caratterizzanti il
funzionamento e l’impiego delle macchine.
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
Si può definire macchina, in senso lato, un qualsiasi convertitore di energia
cioè, in generale, una
scatola chiusa in cui entra e da cui esce solo
energia; in particolare una macchina è un complesso meccanico di organi
fissi e mobili che si scambiano reciprocamente delle forze. Nella fattispecie..
MACCHINA A FLUIDO: è una macchina
in cui la trasformazione dell’energia
avviene principalmente per mezzo di
forze applicate a, o fornite da, un
fluido comprimibile (gas, vapore) o
incomprimibile (liquido).
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
In base alla direzione di trasferimento dell’energia tra fluido e macchina
OPERATRICE
La macchina cede
energia al fluido
MOTRICE
Il fluido cede energia
alla macchina
In base al tipo di fluido trattato
IDRAULICA
Il fluido è incomprimibile
(ρ costante)
TERMICA
Il fluido è comprimibile
(ρ non costante)
In base al modo di lavorare del fluido
VOLUMETRICA
Il trasferimento di
energia avviene
attraverso la pressione
statica applicata a
pareti mobili
DINAMICA
Il trasferimento di
energia avviene
attraverso la variazione
della quantità di moto
del fluido
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
In questa sede si presterà particolare attenzione alla prima classificazione..
Le macchine sono quindi definite Macchine a Fluido in quanto dotate di
organi capaci di scambiare lavoro fra il fluido e gli organi mobili della
macchina. Nella turbina il lavoro transita dal fluido verso gli organi mobili
della macchina mentre nella pompa tale scambio è invertito
TURBINA
Macchina a Fluido Motrice
POMPA
Macchina a Fluido Operatrice
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
MOTRICI
L>0
M. C. I.
T. Vapore
T. Gas
T. Idrauliche
T. Eoliche
MACCHINE
A FLUIDO
OPERATRICI
L<0
Pompe
Compressori
Ventilatori
Eliche
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
MOTRICI
L>0
M. C. I.
T. Vapore
T. Gas
T. Idrauliche
T. Eoliche
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
MOTRICI
L>0
M. C. I.
T. Vapore
T. Gas
T. Idrauliche
T. Eoliche
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
MOTRICI
L>0
M. C. I.
T. Vapore
T. Gas
T. Idrauliche
T. Eoliche
CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO
MOTRICI
L>0
M. C. I.
T. Vapore
T. Gas
T. Idrauliche
T. Eoliche
POMPE: Generalità e classificazione
Le pompe sono macchine che servono a trasportare i liquidi.
Sono macchine operatrici che per funzionare devono essere collegate a
macchine motrici, per esempio a motori elettrici, motori a combustione
interna, turbine, etc.
Le pompe constano di una parte fissa (carcassa) e di una parte mobile,
che trasmette al liquido l'energia necessaria a muoversi.
In base al diverso modo di operare la trasmissione di energia al liquido, le
pompe si suddividono in:
- pompe cinetiche, in cui la parte mobile ruota trasferendo al liquido
energia cinetica che, solo successivamente si trasforma in energia di
pressione.
- pompe volumetriche, in cui il liquido viene spinto dall'organo in
movimento che fa tenuta con la carcassa.
POMPE: Generalità e classificazione
Nelle pompe volumetriche l'energia meccanica di spinta viene trasferita al
liquido aumentandone direttamente la pressione.
Alla classe delle pompe cinetiche appartengono le pompe centrifughe
(oggetto della lezione odierna).
Alla classe delle pompe volumetriche appartengono le pompe alternative
e le pompe rotative.
Le pompe centrifughe sfruttano la forza centrifuga per generare un aumento
di pressione per mettere in moto un liquido.
Le pompe alternative usano pistoni, stantuffi, diaframmi per spostare un
dato volume di liquido durante una corsa.
Le pompe rotative usano ingranaggi, viti, camme, etc. per generare
spostamenti meccanici del fluido.
POMPE: Generalità e classificazione
I primi impianti termici sono stati realizzati con circolazione naturale
dell’acqua ma non appena l’elettromecccanica ha messo a disposizione
degli impianti le pompe centrifughe il sistema adottato è stato quello a
circolazione forzata. I motivi sono molteplici:
aumentando le velocità si possono adottare diametri minori delle
tubazioni e quindi realizzare una riduzione in termini di costi di materiale,
montaggio e perdite di calore.
riduzione del contenuto d’acqua dell’impianto
distribuzione dell’acqua e quindi del calore più uniforme.
I (pochi) svantaggi sono riassumibili in:
consumo di energia elettrica comunque compensato dal costo iniziale
dell’impianto contentuto
dipendenza dalla funzionalità della pompa
Esempio Applicativo
POMPE: Generalità e classificazione
In breve…
POMPE
pompe cinetiche
pompe volumetriche
pompe
centrifughe
pompe alternative
pompe ad ingranaggi
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
Caratteristiche costruttive delle pompe centrifughe a flusso radiale
La Figura successiva mostra le parti essenziali di cui è costituita una pompa
centrifuga a flusso radiale, esse sono:
- bocca di aspirazione (bocca aspirante) dalla quale entra il liquido da
pompare.
- la bocca di mandata (bocca premente) dalla quale esce il liquido in
pressione.
- la girante;
- la carcassa;
- l’albero motore o albero della pompa, che porta ad un estremo la girante
e all'altro il giunto di collegamento col motore.
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
Caratteristiche costruttive delle pompe centrifughe a flusso radiale
- bocca di aspirazione
- la bocca di mandata
- la girante;
- la carcassa;
- l’albero motore o albero
della pompa
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
DESCRIZIONE
Sono costituite da un organo mobile, la GIRANTE, che possiede moto rotatorio
ad elevato numero di giri e da organi fissi: CASSA A SPIRALE (VOLUTA), TENUTE,
CUSCINETTI.
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
Modello 3D
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
Moto del liquido all’interno di una pompa centrifuga
Nelle pompe centrifughe a flusso radiale, l'entrata e l'uscita del liquido sono
ortogonali tra loro.
Come meglio mostra la Figura il liquido giunge alla parte centrale della girante
attraverso il condotto A e scivola sulla paletta della girante stessa seguendone il
profilo.
La girante imprime al liquido un percorso a
spirale risultante da un moto rettilineo e da un
moto rotatorio.
Il moto rettilineo è trasmesso al liquido dalla
forza centrifuga che lo spinge dal centro alla
periferia facendolo scivolare lungo la pala.
Il moto rotatorio viene comunicato al liquido
dall'essere costretto a ruotare con la girante. Il
liquido infine esce dal condotto B
POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE
La girante è costituita da un disco su cui sono ricavate delle pale che
formano dei condotti divergenti ed è calettata su un albero sorretto da
cuscinetti.
Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga
Prevalenza della pompa
L’energia trasferita da una pompa ad un kgf di
liquido prende il nome di prevalenza.
La prevalenza si indica con la lettera H, (viene
dall’inglese
Head
che
significa
appunto
prevalenza).
Poiché la prevalenza H è l’energia incorporata
da 1 Kgf di liquido essa si esprimerà in metri di
colonna di liquido o m.c.l.
Interpretazione della prevalenza…
Un altro modo più intuitivo di considerare la
prevalenza e di pensarla come il lavoro che
bisogna fornire ad un kg di liquido per elevarlo
di H metri.
Di seguito si riporta graficamente questa
interpretazione facilmente visualizzabile:
Visualizzazione Prevalenza
L’energia per unità di peso trasferita dalla
pompa al liquido, detta prevalenza,
rappresenta il lavoro necessario a sollevare il
liquido di un’altezza H dall’aspirazione della
pompa
Mandata della pompa
Aspirazione della pompa
H= prevalenza della
pompa
Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga
Prevalenza della pompa
La legge di Bernoulli chiede che in condizioni
stazionarie in un sistema isolato l’energia totale di in
liquido rimanga costante, ossia che la somma
dell’altezza geodetica, cinetica e piezometrica sia
costante.
Ora se il liquido passa attraverso una pompa,
ovviamente la sua energia totale aumenta. Per
tenerne conto di questo è sufficiente modificare la
legge di Bernoulli tenendo conto dell’energia per
unità di peso fornita al liquido.
Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga
La legge di Bernoulli per liquidi ideali afferma che:
v12
P2 v22
h1 + +
= h2 + +
γ 2g
γ 2g
P1
La modifica da apportare è semplice se si fa la seguente
considerazione: trascurando per ora le perdite di carico, possiamo dire
che a valle della pompa, l’energia totale sarà data da quella che
aveva
a monte della pompa più l’energia H fornita dalla pompa.
Cioè:
En. Entrante
En. Ceduta dalla pompa
v12
P2 v22
h1 + +
+ H = h2 + +
(1)
γ 2g
γ 2g
P1
En. Uscente
L’espressione che fornisce H
Dall’equazione (1), si può ricavare l’espressione
matematica che fornisce H, semplicemente isolando
H. Si ha:
v22
P1 v12
H = h2 + +
− h1 − −
(2)
γ 2g
γ 2g
P2
La (2) viene riorganizzata in una forma che fornisce
più informazioni utili. Si ha:
H = h2 − h1 +
P2 − P1
γ
v22 − v12
(3)
+
2g
Interpretazione dell’equazione (3)
L’equazione (3) fornisce H in funzione di differenze di altezze, e ci
dice che l’energia fornita dalla pompa viene immagazzinata in
parte sottoforma di altezza geodetica (energia potenziale )
h2 − h1
In parte come altezza piezometrica, cioè come energia di
pressione
P2 − P1
γ
Ed in parte come altezza cinetica cioè energia cinetica:
v22 − v12
2g
Dalla considerazione precedente si trae la
conclusione, che l’energia ricevuta dal liquido, viene
impiegata nel caso più generale per:
• sollevare il liquido
• imprimergli una maggior pressione
• aumentarne la velocità
0,4
0,2
3, 4
3, 6
3,8
0, 6
2,6
P2 − P1
0,6
0, 4
0,2
γ
2,6
3,4
3,6
3,8
1,6
1,8
1,4
2,2
2, 4
Hm =
2,2
2,4
1,6
1,8
1,4
Esempio applicativo
Calcolare la prevalenza di una pompa utilizzata per un
impianto di sollevamento di alcool amilico (γ=8007N/m3) da un
serbatoio a pressione atmosferica, ad un altro sotto pressione,
sapendo
che
nell’impianto
ci
sono,
una
valvola
di
intercettazione, e una valvola di ritegno, che insieme alla
tubatura, globalmente
indicate.
danno luogo alle perdite di carico
Le sezioni di aspirazione e di mandata della pompa
sono uguali (v1=v2).
Si riporta di seguito lo schema dell’impianto
γ=8007N/m3
27 m
11 m
Una breve considerazione …
L’energia fornita dalla pompa solleva il liquido aumentando sia
la sua altezza geodetica sia la sua energia di pressione.
Poichè la sezione è costante l’altezza cinetica invece rimane
costante cosicché:
v22 − v12
=0
2g
2g
Fatta questa premessa, la prevalenza H può essere calcolata
tramite la seguente formula, dopo aver reperito tutti i dati dallo
schema dell’impianto:
H = h2 − h1 +
P2 − P1
γ
v22 − v12
+
+ Σy (4)
2g
Risoluzione
I dati reperiti dallo schema sono i seguenti:
h1=11 m.c.l.
h2=27 m.c.l.
P1=101 kPa
P2= 350kPa
Σy=7 m.c.l.
Sostituendo nella (4) che fornisce la prevalenza H si
ha:
H = h2 − h1 +
P2 − P1
γ
v22 − v12
(350 − 101)kPa
+
+ Σy = (27 − 11)m.c.l +
+ 0 + 7m.c.l. = 54m.c.l. (4)
2g
8, 007kN / m3
Curve di grandezze
caratteristiche di
pompe centrifughe
centrifugh
Definiamo il concetto di rendimento..
Che cos’è per voi il rendimento?
Definiamo il concetto di rendimento..
Il rendimento è definito come rapporto tra la potenza utile e la
potenza assorbita, cioè ..
Pu
η = 
Pa
Il rendimento in oggetto è il rendimento totale della pompa e
ovviamente è sempre inferiore a 1!
Il rendimento totale è uguale al prodotto di tre rendimenti:
- il rendimento idraulico, ηi
- il rendimento volumetrico, ηv
- il rendimento meccanico, ηm
cioè:
η = ηi ⋅ ηv ⋅ ηm
Questi rendimenti sono in relazione alle perdite idrauliche, volumetriche e
meccaniche all'interno della pompa.
Le perdite idrauliche sono in relazione alle resistenze continue o localizzate
che il liquido incontra nell'attraversare la pompa.
Le perdite volumetriche sono quelle per fuga di liquido attraverso le tenute o
per circolazione tra mandata e aspirazione o per formazione di gas e vapori che
diminuiscono lo spazio teoricamente disponibile per il liquido diminuendo la
portata teorica.
Le perdite meccaniche sono dovute agli attriti meccanici tra le parti fisse e le
parti mobile della pompa.
La cavitazione nelle
pompe
Il fenomeno della cavitazione
La cavitazione consiste in una rapida vaporizzazione, localizzata in
una zona della corrente a bassa pressione assoluta, seguita da una
rapida ricondensazione.
si manifesta con la formazione di piccole bolle di vapore, il cui collasso
istantaneo genera microgetti ad altissima pressione, che possono
provocare danni anche gravi alla tubazione o alla girante della
macchina idraulica.
Il fenomeno della cavitazione
Problemi conseguenti
Il collasso delle bolle da cavitazione può danneggiare
pressoché qualunque
materiale scavandovi dei fori; se
l’implosione avviene in prossimità di una
parete solida, essa
viene colpita da un microgetto liquido che erode il materiale
costituente la parete formando piccole cavità (pits erosivi).
NPSH
Un parametro quasi universalmente accettato per definire la tendenza
alla cavitazione di pompa, è rappresentato dall’altezza minima di
aspirazione NPSH (dall’inglese Net Pressure Suction Head).
Si distinguono:
- NPSH disponibile
- NPSH richiesto
L’ NPSH disponibile è legato alle perdite di carico della tubazione (fino alla
bocca di aspirazione).
L’ NPSH richiesto alle perdite di carico all’interno della pompa.
L’andamento del parametro NPSH, R è rappresentato in figura
insieme alle curve caratteristiche della pompa. Esso viene ricavato con
una procedura sperimentale.
NPSH disponibile
L'NPSH disponibile per una pompa è definito dalla seguente espressione:
PA - π
NPSHD = 
γ
dove:
PA = la pressione di ingresso alla flangia di aspirazione della pompa
π
= tensione di vapore del liquido pompato alla temperatura che esso ha
alla flangia di aspirazione della pompa
γ = peso specifico del liquido pompato del liquido pompato alla
temperatura che esso ha alla flangia di aspirazione della pompa.
IL CONCETTO DI TENSIONE DI VAPORE
Il processo di evaporazione in un contenitore chiuso procede fino al
raggiungimento di un equilibrio tra le molecole che escono dalla fase
liquida e quelle che ritornano alla fase liquida stessa.
A questo punto il vapore è detto
saturo e la sua pressione si dice
pressione (o tensione) di vapore saturo.
NPSH richiesto
Il liquido, attraversando la flangia di aspirazione e seguendo il suo
cammino all’interno della pompa per arrivare all’ingresso della
girante avrà una ulteriore una diminuzione di pressione.
All’ingresso della girante il liquido avrà la pressione minima.
La pompa per non cavitare richiede un certo margine di pressione
sopra la tensione di vapore del liquido.
Questo margine, teoricamente uguale alla caduta di pressione
all’interno della pompa è rappresentato dall’NPSH richiesto (NPSHR).
Scarica