Ministero dell’Istruzione
Università di Camerino
CORSO P. A. S. C320
Laboratorio di macchine a fluido
Marzo 2014 - IIS Mattei Recanati
L2
Prof. Nazareno Agostini
SISTEMI ENERGETICI IN USO
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.
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 teleriscaldamento
Cogenerazione: produzione di energia elettrica e termica,
con rendimenti dell’80%.
CENTRALI NUCLEARI
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%.
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.
SOLARE FOTOVOLTAICO
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.
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, idrogeno
molecolare 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
.
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 GEOTERMICA
E’ 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 GEOTERMICHE
Sfruttano 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
.
ENERGIA DAL MARE
Esistono 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 c
omunque 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’
.
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 °E
E°=tempo efflusso olio a x °C/tempo efflusso acqua distillata a 20°C
Viscosità cinematica
10-6 • (7,317 °E-6,313/°E)
q (ni)
[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).
.
.