Soluzione Seconda prova di maturità 2013 - Tecnico delle industrie meccaniche

Soluzione Esame Di Stato Tecnico Delle Industrie Meccaniche 2013

Svolgimento :

Il è un termine coniato per indicare la crescente domanda di energia della società

problema energetico

umana a fronte di una offerta di energia primaria legata a fonti di energia fossile ed esauribili. Si comincia a

parlare di problema energetico soltanto con le prime crisi energetiche degli anni '70 del Novecento. Fino al

'700 il fabbisogno di energia della società umana è limitato allo sfruttamento dell'energia animale e

dell'energia termica Qualsiasi sforzo e lavoro è compiuto con la forza muscolare degli uomini e degli

animali. La combustione del legno è utilizzata prevalentemente per cucinare e per il riscaldamento delle

case. L'energia eolica è, invece, utilizzata per il trasporto marittimo tramite le barche a vela. L'invenzione

della macchina a vapore nel XVIII secolo segna l'inizio della Rivoluzione industriale. Lo sfruttamento dei

combustibili fossili ( carbone, petrolio, gas ) consente di alimentare la meccanizzazione e l'automatizzazione

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dei processi industriali. Le risorse energetiche diventano strategiche per le economie nazionali e

cominciano a presentarsi i primi problemi ambientali in termini di inquinamento e deturpazione

dell'ambiente Non si può, tuttavia, ancora parlare di problema energetico. Al contrario, all'inizio del '900

l'uomo mostra piena fiducia nel progresso tecnologico e nella crescita economica infinita. La storia del

problema energetico nel Novecento può essere suddivisa nelle seguenti fasi storiche.

Nella prima metà del Novecento le principali riserve di energia sono

Progresso e crescita infinita.

o abbondanti e l'energia può essere utilizzata dall'uomo a basso costo. Nel corso del XX secolo il

fabbisogno energetico cresce in progressione geometrica. Negli anni '70 la domanda di energia è

quattro volte superiore rispetto a quella di inizio secolo. Prevale la fiducia nel progresso tecnologico e

l'idea della crescita economica infinita.

Un primo rallentamento si presenta soltanto in occasione delle crisi

Shock petroliferi del '73.

o energetiche del 1973-74, quando una stretta nell'offerta dei paesi produttori di petrolio costringe il

mondo sviluppato ( Nord del mondo ) a scontrarsi con la scarsità e con la dipendenza dalle risorse

energetiche straniere. Le riserve di energia fossile ( gas, carbone, petrolio ) sono concentrate in pochi

paesi, molti dei quali si sono affrancati dal colonialismo europeo. Il costo dell'energia inizia a crescere

rapidamente, mettendo in crisi l'economia industriale in Europa e in America. In questi anni si

moltiplicano gli sforzi nell'efficienza energetica e nelle energie alternative. Nel mondo accademico si

comincia a parlare di limiti dello sviluppo e di sviluppo sostenibile.

Negli anni '70 l'umanità assiste anche alle conseguenze ambientali dello

Problema ambientale.

o sviluppo su scala globale. L'inquinamento transnazionale, il buco nell'ozono e l'effetto serra si

trasformano in un argomento politico e mediatico ( problema ambientale ) . Qualunque tipo di centrale

termoelettrica ( carbone, petrolio, gas ) provoca inquinamento atmosferico, le centrali elettriche

nucleari hanno un impatto elevato sull'ambiente in caso di incidente e le stesse centrali idroelettriche,

pur essendo una fonte di energia pulita e rinnovabile, modificano profondamente l'ecosistema locale

tramite la costruzione delle dighe. Sia il problema energetico che il problema ambientale spingono

verso la ricerca di nuove fonti di energia e verso politiche di efficienza e di risparmio energetico.

Negli anni '80-90 la scoperta di nuove riserve

Scoperta nuove riserve ed efficienza energetica.

o petrolifere e l'incremento dell'efficienza energetica consentono ai paesi industrializzati del Nord del

mondo di allentare il vincolo energetica, senza comunque risolvere il problema energetico. Il costo

dell'energia si riduce e il problema energetico non è più una priorità nelle agende dei governi. Il

problema ambientale, invece, prosegue il suo cammino politico con accordi finalizzati al contenimento

delle emissioni CO e degli altri inquinanti. Tra i vari accordi internazionali, spicca per importanza il

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Protocollo di Kyoto del 1997. Negli anni duemila il fabbisogno energetico accusa una nuova

Sviluppo economico di Cina e India.

o fase di accelerazione a causa dello sviluppo economico dei paesi emergenti del Sud del mondo. In

particolar modo della Cina e dell'India. Il costo dell'energia torna nuovamente a crescere. Soltanto la

crisi economica globale del 2008 riesce a rallentare la crescita del fabbisogno energetico. L'assenza di

una fonte energetica alternativa in grado di sostituirsi alle risorse energetiche fossili, in via di

esaurimento, rende il problema energetico una delle questioni ancora da risolvere. Anche il problema 2

ambientale è ancora lontano dall'essere risolto. I principali paesi produttori di emissioni CO2 non

partecipano al Protocollo di Kyoto, gli Stati Uniti d'America non ratificano il Protocollo mentre la Cina,

in quanto paese in via di sviluppo negli anni '90, non è obbligata al rispetto degli accordi di Kyoto.

IMPATTO AMBIENTALE

La centrale termoelettrica inquina fortemente l'aria con i fumi della combustione. Il monossido di carbonio

, l'anidride solforosa , gli ossidi di azoto, il piombo e gli idrocarburi sono detti inquinanti atmosferici primari.

In particolari condizioni climatiche, e cioè quando l'aria non circola e gli inquinanti permangono a lungo

nell'atmosfera, si verificano reazioni chimiche, favorite dalla luce del sole, che danno luogo a un insieme di

prodotti, denominati nel loro complesso "smog", e che rappresentano gli inquinanti atmosferici secondari.

Un discorso a parte va fatto per l'anidride carbonica, la quale è un componente naturale dell'aria, ed è

indispensabile per tutti i processi biologici, ma è anche responsabile della regolazione della temperatura

dell'aria.

L'anidride solforosa e gli ossidi di azoto, che si generano dalla combustione del carbone e dei derivati del

petrolio, provocano il fenomeno delle piogge acide. Combinandosi con l'acqua piovana, l'anidride solforosa

si trasforma in acido solforico e gli ossidi di azoto in acido nitrico, e poi ricadono al suolo. L'effetto di queste

piogge è progressivo e insidioso, esse producono un accumulo di acidi nel terreno e nelle acque dei fiumi e

dei laghi, danneggiando gravemente gli ecosistemi, a partire dalla vegetazione. L'enorme immissione di

CO2 nell'atmosfera impedisce alla Terra di reirradiare nello spazio l'energia che riceve dal Sole, provocando

l'effetto serra, cioè il riscaldamento dell'atmosfera, che, a sua volta, provoca l'aumento della temperatura

dei ghiacci, determinando un innalzamento del livello del mare, e quindi la sommersione delle regioni

costiere, che, come è noto, sono le regioni più popolate della Terra. Lo smog, il piombo e il monossido di

carbonio agiscono in modo diretto sulla funzione respiratoria dei viventi, provocando gravi malattie

polmonari.

Non trascurabili i del corpo idrico utilizzato per gli scarichi termici dell'acqua.

danni all'ecosistema

L'impianto, come tutte le altre centrali del resto, occupando una certa superficie, normalmente recintata,

allontana dalla zona la fauna e, i vari edifici connessi al suo funzionamento comportano sempre un certo

impatto sull'ambiente dal punto di vista paesaggistico.

Nella sala macchine sia le turbine, sia i generatori di corrente producono un rumore costante di parecchi

decibel che, a lungo andare, provoca danni all'udito degli operatori, per cui, questi, devono essere

sottoposti a periodici controlli medici.

Le macchine elettriche, quali gli Alternatori e le Dinamo, per effetto dello strisciare delle spazzole sul

collettore generano un certo scintillio. L'arco voltaico scompone l'Ossigeno dell'aria O2 in O, che legandosi

poi ad altre molecole, forma Ozono O3, gas velenoso dal caratteristico odore di aglio.

CIRCUITO ELEMENTARE E CICLO TERMODINAMICO

Schematicamente l’ impianto, nella sua configurazione essenziale e sotto riportato, è costituito da :

- Una pompa di estrazione P.E. ;

- Un generatore di calore ( preriscaldatore, caldaia e surriscaldatore ) ;

- Una turbina a vapore T ;

- Un condensatore C ; 3

Iniziamo lo studio, considerando il ciclo semplice a portata costante, in cui le trasformazioni

termodinamiche ideali subite dall’ acqua per convertire in lavoro parte del calore sviluppato dalla

combustione nel generatore di vapore sono, facendo riferimento alla sopra riportata figura, le seguenti :

1-2) TRASFORMAZIONE ADIABATICA : l’ acqua viene compressa dalla pressione P1, a cui si trova il vapore

all’ uscita del condensatore, fino alla pressione P2 , all’ interno della caldaia, subendo un incremento di

temperatura (entalpia) trascurabile ( lavoro speso dalla pompa ); quindi, possiamo considerare,

praticamente, la temperatura del punto 1 corrispondente alla temperatura del punto 2 e la chiameremo

T1.

2-3) TRASFORMAZIONE ISOBARA : l’ acqua viene riscaldata dalla temperatura T1 corrispondente alla

pressione P2, fino alla temperatura T2 corrispondente alla pressione P2 e quindi vaporizzata a pressione

costante; eventualmente, come riportato nello schema, il vapore viene surriscaldato, sempre a pressione

costante P2, a temperatura T3 superiore a quella di vaporizzazione T2 . Il processo avviene nel cosiddetto

generatore di vapore all’ interno del quale si evidenziano l’ economizzatore , il vaporizzatore ed il

surriscaldatore.

3-4 ) TRASFORMAZIONE ADIABATICA : consiste nell’ espansione del fluido dalla pressione P2 vigente nel

generatore a quella del condensatore Pc; la trasformazione si realizza nella turbina e fornisce il lavoro utile

al ciclo;

4-1 ) TRASFORMAZIONE ISOBARA : il vapore scaricato dalla turbina alla pressione P1 viene completamente

condensato a pressione costante, riduzione di entropia, dallo stato di vapore-umido viene ricondotto allo

stato liquido con cui aveva iniziato il ciclo.

Il ciclo limite, detto ciclo Rankine-Hirn, che corrisponde allo schema appena descritto, puo’ essere

rappresentato sui vari piani cartesiani: costruiremo quello, richiesto dal tema ministeriale, di calore T-S . 4

La fase di compressione 1-2 si svolge nella pompa di estrazione del condensato , la fase 2-3’ riguarda il

riscaldamento del liquido e avviene parte nell’ economizzatore 2-2’ e parte nella caldaia propriamente

detta. La fase 2’-3’ di vaporizzazione si compie nei tubi bollitori o nei grossi corpi della caldaia. Le fasi 3-3’,

3’-4, 4-1, si svolgono rispettivamente nel surriscaldatore, nella turbina e nel condensatore. Il punto 4’ è

caratterizzato da una entropia e una entalpia maggiore rispetto al caso limite, evidenziando

contemporaneamente un minor lavoro utile in turbina T e un maggior calore rilasciato al condensatore C.

Prendendo in esame i dati del tema ministeriale, analizzeremo punto per punto le varie fasi del ciclo limite

e determineremo il rendimento termodinamico dello stesso.

Partendo dalla fase 1-2, trasformazione adiabatica, l’ acqua viene compressa dalla pressione P1 = 0,5 bar, a

cui si trova il vapore all’ uscita del condensatore, fino alla pressione P2 = 45 bar, all’ interno della caldaia; il

lavoro di compressione, svolta dalla pompa, è piccolo rispetto a quello di espansione nella turbina per cui

puo’ essere trascurabile. Praticamente si puo’ considerare T1 = T2.

Per mezzo delle tabelle del vapor d’ acqua alle varie pressioni, interpolando, si ricavano i valori di

temperatura T1, entalpia h1 e entropia s1 relativa alla curva limite inferiore del punto 1; per cui :

T1 = 81,35 °C ;

h1 = 340,6 KJ/Kg ;

s1 = 1,0912 KJ/Kg ;

P1 = 0,5 bar ( valore del tema ministeriale ). 5

Per le ragioni esposte in precedenza, possiamo far coincidere i valori termodinamici del punto 1 con i valori

del punto 2, per cui :

T2 = 81,35 °C ;

h2 = 340,6 KJ/Kg ;

s2 = 1,0912 KJ/Kg ;

P2 = 45 bar ( valore del tema ministeriale ).

Durante la fase 2-2’, trasformazione isobara, l’ acqua viene riscaldata, apporto di calore da parte del