Ministero dell’Istruzione
Università di Camerino
CORSO P. A. S. C320
Laboratorio di macchine a fluido
Marzo 2014 - IIS Mattei Recanati
L7
Prof. Nazareno Agostini
COMBUSTIBILI
Sostanze chimiche che nel processo di combustione, producono
energia termica. I combustibili per motori termici di facile
evaporazione, quali le benzine, vengono detti anche carburanti.
Combustibili tradizionali
La combustione è una reazione di ossidazione in cui il combustibile
reagisce con un comburente: il comburente di gran lunga più comune
è l‘ossigeno dell‘aria.
Si classificano in: solidi, liquidi, gassosi.
Un'altra importante distinzione è fra "naturali" e "derivati", in
relazione alle condizioni in cui vengono impiegati:
naturali (es.: gas metano) usati come vengono estratti,
Derivati (es.: benzine, GPL) se lavorati.
COMBUSTIONE E COMBUSTIBILI
Per avere una combustione occorre combinare due sostanze: il
combustibile che contiene soprattutto carbonio (C) e
idrogeno (H), combinati fra loro ma anche zolfo (S) presente
come impurità e il comburente (aria) che fornisce l’ossigeno
necessario. Se la combustione avviene in modo assai veloce e
con grande aumento di volume si definisce esplosione.
I combustibili solidi sono essenzialmente carboni (torba, lignite,
litantrace e antracite). I combustibili liquidi derivano dalla
distillazione frazionata del petrolio e possono essere: benzine,
kerosene, gasolio, nafte pesanti.
I combustibili gassosi sono il metano naturale, oppure derivati
da combustibili solidi o liquidi. Un combustibile gassoso di futuro
successo sarà l’idrogeno.
EMISSIONE DI ANIDRIDE CARBONICA
.
TRASMISSIONE DEL CALORE
La trasmissione del calore fra due corpi avviene in conseguenza
di una differenza di temperatura che si realizza in tre modi diversi:
- per conduzione nei solidi e nei liquidi in quiete, quando non vi è
movimento di materia ed avviene per contatto diretto fra le particelle
- per convezione, fra una superficie di un solido e un fluido
- per irraggiamento, fra due corpi posti a distanza per mezzo di
onde elettromagnetiche
Esempio: consideriamo una parete di area A e spessore S che viene
lambita da un lato dai fumi riscaldati dal carbone incandescente e
dall’altro lato dal vapore (caldaia). La trasmissione del calore
avviene:
- dal carbone incandescente alla parete per irraggiamento
- dai fumi che lambiscono la parete per convezione
- all’interno della parete di spessore per conduzione
- dal vapore che lambisce l’altro lato della parete per convezione
TRASMISSIONE DI CALORE
La trasmissione del calore è studiata per tre attività fondamentali:
La conservazione di calore
Il calore prodotto per scaldare una casa o per generare vapore è un
calore che ha necessità di essere conservato, che quindi non deve
essere disperso. Lo studio delle coibentazioni è proprio quello di
riuscire a trovare materiali con un coefficiente di inerzia termica
adeguata, al fine di contenere il calore senza disperderlo.
La dissipazione di calore
In alcuni sistemi il calore rappresenta un problema e deve essere
dissipato (smaltito).
Il freecooling
principio del libero raffreddamento: raffrescamento degli ambienti
TRASFERIMENTO DI CALORE
Nel passato, il problema del trasferimento del calore non
esisteva in quanto il posto dove si bruciava la legna (sorgente di
calore) coincideva con il luogo dove serviva calore. Oggi il calore si
produce con fonti di energia diverse ed il luogo dove si produce è
spesso lontano per motivi di sicurezza, da dove si ha necessità.
Per questo motivo la tecnologia ha studiato varie forme di vettore
per trasferire il calore da una parte all'altra. I termovettori più
utilizzati nell'impiantistica per la trasmissione del calore sono:
aria, acqua, gas, vapore
Il calore viene ceduto attraverso degli scambiatori: il termovettore
viene spostato dalla sorgente di calore fino al posto dove questo
calore serve e qui il termovettore lo cede all'ambiente attraverso
un nuovo scambiatore.
TERMOTECNICA
Si basa sui principi della fisica del calore.
- per la parte statica studia il comportamento della
materie solide, liquide e gassose al variare della
temperatura;
- per la parte dinamica prende il nome di termodinamica
e studia il comportamento dei gas e dei vapori al variare
delle condizioni fisiche di temperatura e pressione per
effetto di un apporto di energia termica.
Altro aspetto della termodinamica è quello energetico,
cioè relativo alla produzione di energia meccanica nelle
macchine termiche, legata alle trasformazioni
termodinamiche di energia termica in energia meccanica.
ENTALPIA ED ENTROPIA
L‘ENTALPIA posseduta da un sistema termodinamico è una funzione di
stato definita come la somma dell‘energia interna (prodotto
della pressione per il volume). L'entalpia è espressa in joule. A
causa del fatto che non è possibile conoscere il valore assoluto
dell'energia interna di un sistema o di una sostanza, durante una
determinata trasformazione termodinamica si può misurare solo la
variazione di entalpia (ΔH) e non il suo valore assoluto.
L’ENTROPIA è la funzione dello stato interno di un corpo, misurata
in joule/kelvin, la cui variazione, in una qualsiasi trasformazione
elementare reversibile e isoterma, è data dal rapporto fra la
quantità di calore scambiato dal corpo con l‘esterno e la
temperatura assoluta assunta dal corpo durante la
trasformazione.
SISTEMI TERMODINAMICI
Una trasformazione termodinamica avviene in un ambito
limitato denominato sistema termodinamico. Si definisce
ambiente tutto ciò che è al di fuori del sistema.
Un sistema termodinamico può essere:
- Chiuso: in cui si ha sempre la stessa quantità di massa. Il
sistema cioè non permette ingressi o uscite di materia.
- Aperto: in cui la materia può entrare o uscire.
I sistemi termodinamici in relazione agli scambi energetici
possono essere classificati in:
- Isolati o adiabatici, quando non permettono scambi termici
con l’ambiente,
- diabatici, se permettono scambi termici con l’ambiente
circostante.
GENERATORE DI VAPORE
il generatore di vapore realizza il riscaldamento isobaro (a
pressione costante) di un liquido, provocandone l‘ebollizione, in
modo continuo ed in condizioni controllate, per impiegarlo come
vettore energetico.
I generatori di vapore vengono classificati in base alla fonte di
energia sfruttata dal generatore (combustibile, energia solare,
energia nucleare) o di un altro fluido esausto come nel caso dei
ciclo combinato e della cogenerazione.
La caldaia è invece solo una parte del generatore di vapore a
combustione, la parte in cui il liquido utilizzato (spessissimo
l'acqua) viene riscaldata, ma non vaporizzata.
GENERATORI DI VAPORE
Parti fondamentali:
1. - preparazione e alimentazione combustibile
2. - focolare, bruciatori e camere di combustione
3. - condotto dei fumi e impianti per il trattamento degli stessi
4. - preparazione e alimentazione dell’acqua da trasformare in
vapore
5. - superfici di scambio termico tramite le quali avviene la
trasmissione del calore
6. - organi di regolazione e controllo dell’impianto
Il secondo e il quinto punto costituiscono assieme la caldaia.
In caldaia esistono due sistemi separati:
- sistema combustibile, aria comburente, fumi, scorie
- sistema acqua alimentazione e produzione di vapore
.
Cicli combinati Brayton e Rankine
La combinazione di due cicli termodinamici permettono di
ottimizzare lo sfruttamento dell'energia contenuta nel
combustibile (gas naturale).
Il ciclo Brayton converte l'energia termica posseduta dai
gas derivanti dalla combustione del gas naturale in
energia meccanica e quindi elettrica.
Nel ciclo Rankine l'energia termica residua dei gas di
combustione viene ceduta all'acqua per la produzione di
vapore e convertita in energia meccanica e quindi
elettrica.
La cogenerazione è definita come la produzione
congiunta di energia elettrica e vapore
Classificazione dei generatori
secondo:
 vettore energetico impiegato per la generazione (combustione,
nucleare, solare) e la dipendenza della sua disponibilità dalla
generazione (apposito o cogeneratore),
 tipo di partizione (generatore a tubi d’acqua, a tubi da fumo)
 la circolazione naturale, assistita o combinata, o forzata del
fluido.
 contenuto di fluido in rapporto alla superficie di riscaldamento
(grande volume 130÷250 l/m³, medio 70÷130, piccolo <70)
 tipo di tiraggio (atmosferici, pressurizzati, in depressione)
 portata di vapore
 mobilità dell'installazione (fissa, semifissa, locomobile)
 pressione massima di esercizio (bassa pressione <1 bar,
media 1÷15, alta 15÷100, altissima >100)
https://www.youtube.com/watch?v=fcvUafB90DI
https://www.youtube.com/watch?v=VFZvlJWHkTc
Regolazioni
Nel caso di combustori a solido è prevista una camera
in cui si accumulano le ceneri.
Un particolare tipo di regolazione del livello di liquido
nel corpo cilindrico di un generatore di vapore è la
cosiddetta regolazione a tre elementi.
Le tre variabili controllate sono:
il livello,
la portata di vapore,
la portata di acqua di alimento.
Controlli e regolazioni
Per elevate richieste di vapore, la pressione nel corpo cilindrico
può calare bruscamente, aumentando l'evaporazione dell'acqua. Si
formano grandi bolle di vapore all'interno del liquido, con
conseguente aumento apparente del livello all'interno del corpo
cilindrico.
Per questo motivo, oltre a controllare il livello stesso, si affina
la regolazione controllando anche la portata di vapore e facendo in
modo che se questa aumenta vi sia un'azione correttiva sulla portata
di acqua alimento (tramite inverter delle pompe o tramite valvola di
regolazione) atta ad aumentarla e a compensare quindi l'apparente
innalzamento del livello. Il controllo della pressione del vapore
all'uscita del generatore dipende anche dalla regolazione della
combustione, ovvero una regolazione combinata di portata olio
combustibile (e gas se mista) e portata aria comburente.
Impianti motore a vapore
.
TURBINE A VAPORE
La turbina trasforma in energia meccanica l’energia termica
contenuta nel vapore. Il flusso del vapore all’interno della turbina è di
norma assiale. Le potenze in gioco sono elevate (100-1500 MW). Oggi
vengono impiegate turbine miste. Il vapore in turbina segue due fasi:
- Espansione del vapore
- Inversione del flusso di vapore nella palettatura:
il vapore in velocità arriva sulle pale della turbina, dove per effetto
del cambio di direzione nasce una spinta sulla pala e quindi un
momento torcente sull’albero della turbina che per effetto della
rotazione dà luogo ad una potenza. Se le due fasi espansione e
inversione del vapore sono separate ed avvengono in
successione le turbine sono ad azione, se avvengono parte
separate e parte contemporaneamente siamo in presenza di turbine a
reazione.
TURBINE A VAPORE
Il vapore espande in turbina attraversando stadi in
successione.
Ogni stadio è costituito da due schiere di pale: le pale
statoriche (o ugelli) sono fisse e solidali alla cassa della
turbina, mentre le pale rotoriche sono mobili e sono
solidali all'albero.
Nel loro insieme, le parti fisse a contatto con il vapore
sono dette "statore", mentre l'insieme costituito
dall'albero e dalle parti ad esso solidali è detto "rotore".
Gli stadi sono caratterizzati dalla modalità con cui il
vapore cede la propria energia all'albero, ed in base a
questo sono definiti "ad azione" o "a reazione".
https://www.youtube.com/watch?v=okGjfdhMz28
Stadi ad azione
Lo stadio ad azione è costituito da ugelli fissi che
causano l'espansione del vapore, creando getti ad alta
velocità ed energia cinetica, con direzione fortemente
angolata rispetto all'asse della macchina. Quando i
getti incontrano la palettatura rotorica, essa ne varia
fortemente la direzione grazie all'apposito profilo
concavo, ed il vapore cede parte della propria energia
cinetica sotto forma di lavoro meccanico di rotazione
dell'albero. Il salto di pressione avviene quasi
interamente negli ugelli, mentre è pressoché nullo tra
monte e valle della palettatura rotorica.
Stadi a reazione
Nello stadio a reazione, le pale hanno un profilo tale da
costituire un ugello convergente in ogni interstizio. Quindi il
flusso di vapore aumenta la propria velocità nello statore e nel
rotore. Il salto di pressione è meno brusco rispetto allo stadio
ad azione, ed è ripartito tra statore e rotore.
Gli stadi a reazione hanno un rendimento più elevato, ma per
funzionare correttamente possono sostenere salti di pressione
più ridotti. Per questa ragione, a parità di salto di
pressione, una turbina interamente a reazione ha
necessità di un maggior numero di stadi.
Poiché il decremento di pressione è più graduale, la cassa deve
essere in grado di sopportare pressioni più elevate.
Per queste ragioni le turbine a reazione sono più costose.
Manutenzione della turbina
In condizioni di turbina ferma si utilizza un dispositivo che fa
ruotare lentamente la macchina (viratore).
 La prima fase di avviamento della turbina è chiamata rullaggio
per un riscaldamento graduale ed uniforme della macchina.
Successivamente le valvole vengono aperte (in maniera graduale)
ed il vapore addotto con portate più elevate fa aumentare la
velocità della macchina fino a quella nominale.
 La presenza accidentale ed eccessiva di acqua nel vapore
provoca erosione precoce delle pale, a causa dell'impatto ad
elevata velocità. Questo può causare sbilanciamenti, e quindi
eccessive vibrazioni del rotore, che possono avere conseguenze
anche sui cuscinetti reggispinta. Il problema può essere ridotto
usando acqua distillata nel vapore che, essendo priva di sali, limita
notevolmente i danni alle pale.
Vapore surriscaldato
E’ il vapore portato alla temperatura superiore a quella
corrispondente a quella di vaporizzazione, cosa che comporta
la completa vaporizzazione dell‘acqua, al fine di migliorare il
rendimento termodinamico dell'intero motore a vapore. Il
surriscaldamento si ottiene prelevando in caldaia il vapore
saturo e facendogli percorrere il surriscaldatore (un insieme di
tubi che vengono investiti direttamente dai gas di combustione).
Nel vapore surriscaldato, rispetto al vapore saturo, a parità di
pressione, aumentano la temperatura e l'entalpia (ossia il
contenuto termico). Il miglioramento del rendimento è
paragonabile a quello dato dalla doppia espansione.
INFIAMMABILITA’
L'infiammabilità è la facilità con cui una sostanza
brucia causando calore, luce, fumi.
La caratteristica principale è che questa reazione
emette grandi quantità di calore e una fiamma (non
sempre visibile). Per generare una combustione
occorrono sempre:
combustibile (sostanza che brucia),
comburente (sostanza che partecipa alla reazione),
innesco (sorgente di energia che fa partire la reazione)
INFIAMMABILITA’
Alcune sostanze volatili possono essere infiammabili (o
esplosive) anche a temperatura ambiente.
Le miscele aria/sostanza (la cui composizione è
rappresentata come percentuale in volume)
generalmente non sono tutte infiammabili, in quanto
esistono dei valori che delimitano il campo di
infiammabilità.
Inoltre questi limiti d'infiammabilità variano al variare
della temperatura, della pressione e delle condizioni in
cui è condotto l'esperimento.
SEGNALETICA DI SICUREZZA
.
LIQUIDI E POLVERI INFIAMMABILI
Le sostanze liquide presentano una forte predisposizione ad
infiammarsi. I liquidi infiammabili sono sovrastati da vapori
infiammabili (tensione di vapore), per cui è più utile indicare i
limiti di infiammabilità in relazione alla temperatura. Per ragioni di
sicurezza queste sostanze devono riportare un'indicazione che le
renda riconoscibili (in Europa una delle “frasi R"), e devono essere
trasportate rispettando particolari precauzioni.
Polveri infiammabili
La pericolosità delle polveri dal punto di vista dell'infiammabilità è
stata negli anni sottovalutata. Anche materiali che in massa non
mostrano caratteristiche di infiammabilità, sotto forma di polvere
possono bruciare, infiammarsi ed esplodere.
TRASPORTO DI INFIAMMABILI
.
CLASSIFICAZIONE INFIAMMABILI
I liquidi infiammabili si classificano ai fini della sicurezza e ai sensi
del d. m. 31/7/1934, in base alla temperatura di infiammabilità in:
Categoria A (Ti < 21 °C): benzina, alcoli; sono i prodotti più
pericolosi in quanto estremamente infiammabili anche a temperatura
ambiente e devono essere tenuti lontani da possibili inneschi;
Categoria B (21 °C ≤ Ti ≤ 65 °C): gasolio;
Categoria C (Ti > 65 °C): glicerina, bitumi.
Nelle installazioni di motori a combustione interna accoppiati a
macchine generatrici di energia elettrica o macchine operatrici (D.M.
22/10/2007), il gasolio è da considerarsi di categoria C.
TEMPERATURE DI INFIAMMABILITA’
CONRONTO BENZINA-GASOLIO
Nei motori a scoppio, la benzina deve pre miscelarsi con l'aria per
raggiungere il suo limite infiammabile e scaldarsi oltre il suo
punto di fiamma, per poi accendersi. Non deve pre incendiarsi in
un motore caldo.
La benzina possiede un basso punto di fiamma e un'alta
temperatura di auto ignizione.
Nel motore diesel l‘aria compressa viene scaldata fino alla
temperatura di auto ignizione; la deflagrazione della carica
combustibile avviene nel momento di massima pressione, in
presenza di una miscela aria-carburante nebulizzata. In questo
caso non vi sono sorgenti di accensione.
Al carburante diesel è richiesto un alto punto di fiamma e
una bassa temperatura di auto ignizione.
CONRONTO BENZINA-GASOLIO
Benzina:
punto di fiamma: > -40 °C
Temperatura di autoaccensione: circa 250 °C
La benzina senza piombo ha un punto di fiamma inferiore e
Una temperatura di autoaccensione superiore.
Gasolio:
punto di fiamma: > 55 °C (gasolio per autotrazione); > 65
°C (gasolio per riscaldamento).
Temperatura di autoaccensione: circa 220 °C
INFIAMMABILITA’
dispositivo di Pensky-Martens
CONDOTTA DELLA PROVA
Esame di due combustibili:
gasolio da autotrazione e cherosene
All’aumentare della temperatura,
verifichiamo:
lo spegnimento della fiammella,
il flash point,
il punto di infiammabilità.