02 Vocca Lez. Macchine

OTTAVIO VOCCA

ORDINARIO DI MACCHINE NELLA FACOLTÀ DI INGEGNERIA UNIVERSITÀ DI NAPOLI

LEZIONI DI MACCHINE

Parte I Statistiche - Argomenti di carattere generale e fondamentale per tutte le macchine a fluido

Parte II Cicli, problemi fondamentali e schemi degli impianti motori a vapore

LIGUORI EDITORE

PREFAZIONE

Il corso di Macchine si occupa dello studio delle singole "macchine a fluido" (motrici ed operatrici, termiche ed idrauliche), così come degli impianti motori nel loro complesso, nei quali si realizza l'intero ciclo termodinamico e la produzione, quindi, di energia meccanica.

Il corso risulta perciò fra i più vasti, interessanti e vari degli studi di ingegneria. In molte Facoltà - fra cui quella di Napoli dal 1967/68 - il corso viene svolto in due anni per gli allievi di Ingegneria Meccanica (il 2° anno prende il nome di "Complementi di Macchine" o di "Macchine II"). Per tutti gli altri allievi delle specializzazioni industriali il corso di Macchine è limitato al solo primo anno, e non può avere - quindi - che carattere spiccatamente concettuale e formativo, mentre la parte e carattere informativo deve essere necessariamente molto limitata. Tuttavia, un corso successivo di "Macchine a fluido" è praticamente svolto anche per gli allievi aeronautici ("Motori per aeromobili") o per i navali ("Macchine marine"), mentre per gli elettrotecnici c'è sempre il tenda che a Napoli (come già avviene in alcune Facoltà) un corso dedicato alle centrali termo- (e nucleotermo-) elettriche.

Malgrado la tecnicità variata degli argomenti, molti di essi hanno una base comune, di carattere generale, che comprende - talvolta richiamati in precisazioni su questioni già trattate (sia pure brevemente) in corsi precedenti, ma che ora opportuno e forse indispensabile - esaminare più a fondo dal punto di vista che più interessa nell'ottica delle macchine stesse.

La prima parte di questo volume è appunto dedicata agli argomenti di carattere più generale del corso. In essa poi la esposizione e di notizie e dati statistici che servono ad inquadrare i problemi ed a dare all'allievo il senso della attualità e della importanza tecnica e sociale degli argomenti e dopo un breve cenno alle fonti naturali di energia, vengono riepilogati, chiariti e definiti concetti fondamentali e generali, che riguardano il

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Naturalmente, poichè oltre che produrre energia meccanica in forma adatta all'uso, occorre anche utilizzarla e trarne il massimo vantaggio, altrettanta importanza ha anche lo studio di quelle macchine che, assorbendo lavoro meccanico, lo trasformano in altre forme di energia e lo utilizzano per scopi svariati e particolari.

E’ noto che si chiamano motrici tutte le macchine che, ad esempio, trasformano calore, energia elettrica, energia cinetica o potenziale di masse di fluidi in lavoro meccanico. Si chiamano operatrici quelle che, all'inverso, ricevono lavoro meccanico (in genere attraverso il loro albero principale) e lo utilizzano per scopi particolari: compressione di fluidi, lavorazione di metalli, trasporto di calore ad agenti a temperature minore e sorgenti a temperatura più elevata, ecc.

Per una tradizione più che giustificata, fra le "motrici", nel corso di MACCHINE si occupa soltanto di quelle che, cogne già accennato, trasformano in lavoro meccanico fonti naturali di energia e che sono perciò chiamate "motori primi".

Fra le "operatrici" ci si occupa soltanto di pompe e compressori; spetta infatti ad altre discipline lo studio, ad esempio, delle macchine per la lavorazione dei materiali, dei generatori elettrici, ecc. Il corso di MACCHINE si occupa pertanto — come meglio vedremo in seguito — di tutte, e solo, quelle macchine (motrici ed operatrici) che sono giustamente dette "a fluido".

E' utile chiarire fin d'ora, però, ad evitare equivoci possibili da studenti che nel linguaggio corrente:si da'per

Le fonti naturali di energia, come vedremo presto, sono numerose ma esse sono sempre messe a disposizione dei motori primi o sotto forma:termica (che estratti di energia-chimica di combustibili, di energia nucleare, geotermica ed altro) ovvero sotto forma di energia potenziale o cinetica di fluidi (acqua, aria) In corrispondenza risulta che gli impianti motori stessi possono essere scissi in due grandi classi, ciascuna delle quali:

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solito alla parola "macchina", che in molti casi piu' che di "macchina" motrice (od operatrice) e' piu' appropriato parlare di "impianto motore" (od "operatore") Impianto che — pur se ci si limita a considerare solo gli organi principali — e' costituito spesso da un complesso di più “macchine” [(nel senso usuale del la parola) alcune delle quali sono motrici ed altre operatrici mentre in altri organi dello stesso complesso possono aversi soltanto scambi di calore Così ad esempio, in un impianto di turbina a gas. che nel complesso dobbiamo naturalmente considerare come un "motore primo" in quanto esso permette di trasformare parte della·energia·termica·messa·a disposizione da un combustibile,·in lavoro meccanico: non troveremo soltanto una turbina (macchina motrice vera e propria). ma anche compressori ( cioe macchine operatrici). cambier di ·combustione e .scambiatori di calore, che fanno parte integrante del·complesso del motore

Nel corso di MACCHINE·ci si occupa dunque sia dell’impianto·motore (od operatore) nel·suo insieme,; sia di tutte·le macchine e degli organi·singoli·che·lo costituiscono Fra tali organi·si trovano anche alcuni cambi·idraulici.,ad esempio, di cui faremo ·cenno ·a suo tempo, che·vanno considerati nel loro insieme: come machine trasformatrici, nel senso che:il loro·compito e solo ·quello di variare il rapporto fra i parametri (coppia, angolo di rotazione) dell·energia:meccanica·che·li:attraversa

La Tab. III, 3 riporta invece dati aggiornati al 1965 per molti paesi del mondo, ma limitatamente all’energia elettrica.

Da ambedue le tabelle risulta evidente che la distribuzione del consumo specifico (per anno e per abitante) è molto variabile per i diversi popoli, oscillando ad esempio (Tab II: 2) da 8t/anno per abitante negli USA a un valore di addirittura 0,115t/anno nell’Asia del sud-est. Essa rappresenta perciò un indice assai significativo del tenore di vita nei diversi paesi. Nelle cifre riportate nella Tab. II,2 si prescinde però dall’utilizzazione delle diverse fonti. Così, mentre tutta l’energia idraulica si può considerare utilizzata sotto forma meccanica (e poi elettrica), solo una aliquota dell’energia teorica ottenuta dai combustibili consumati viene trasformata in energia meccanica (ed in parte, poi, elettrica) essendo la massima parte (della quale non ci occupiamo qui), sfruttata direttamente sotto forma di calore.

Con riferimento poi alla produzione di energia elettrica, osserviamo che la suddivisione di impianti idraulici e termici e anche assai diversa da paese a paese. Così, se oggi in Canada, Norvegia, Svezia, Svizzera, ecc., l’economia elettrica è ancora prevalentemente idraulica, in altre nazioni quali Belgio, Gran Bretagna, Germania, USA, ecc. la produzione avviene invece principalmente in centrali termiche.

Per quanto riguarda in particolare l’Italia, la tabella II:4 mostra lo sviluppo progressivo della produzione di energia elettrica idraulica e termica, espressa in milioni di kWh ed in percento, dal 1922 al 1966.

Si nota che la differenza fra la produzione di energia con impianti idraulici e termici è andata progressivamente diminuendo ed ha praticamente raggiunto l’eguaglianza fra i due tipi di produzione, avviandosi ad un rapido capovolgimento della situazione che si avvererà solo qualche anno fa. Questa tendenza è dovuta sia al graduale esaurimento delle risorse idriche sia al fattore. . .

TABELLA II,3(*)

• PAESE
• produzione annua (TWh)
• tasso di incremento tra il 1964 e il 1955 (%)
• produzione annua pro capite (kWh/Anno)

• Israele 4,2 16,67 1.658
• Unione Sudafricana 34,5 13,49 1.925
• Canada 165,0 7,27 7.291
• Stati Uniti 1.160,0 7,53 5.994
• Giappone 195,0 10,92 1.590
• Austria 22,5 10,29 3.114
• Belgio 22,0 5,77 3.216
• Danimarca 4,5 7,74 1.576
• Finlandia 14,5 11,54 3.354
• Francia 85,5 7,91 2.196
• Germania Occidentale 175,0 6,45 2.961
• Gran Bretagna 103,0 7,58 1.952
• Italia 67,5 6,73 1.366
• Olanda 25,0 8,80 1.560
• Norvegia 48,4 7,83 14.652
• Svezia 49,0 8,41 6.291
• Svizzera 24,5 6,99 4.984
• Bulgaria 10,2 17,24 1.233
• Cecoslovacchia 35,5 9,81 2.430
• Germania Orientale 53,5 9,00 3.146
• Polonia 19,0 8,13 1.380
• Romania 17,0 23,49 889
• Ungheria 11,5 8,49 1.131
• URSS 500,0 8,58 2.156
• Australia 34,0 9,44 2.154
• Nuova Zelanda 9,7 7,78 5.033

• Totale Pesi. Industrializzati cal. 3.020 8,08 3.172
• Pesi a basso sviluppo industrial. nel complesso, cd 340 11,17 145(?)
• Produz. Mondiale, nel complesso circa: 3.360 8,39 1.020

(*) Da una relazione dell’ENEL al 31 dicembre 1966.