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).
