Appunti di Macchine

Esame macchine

Argomenti

• Introduzione e principi generali
• Macchine volumetriche
• Turbomacchine
• Impianti di pompaggio
• Pompe centrifughe
• Turbine Pelton - Francis
• Impianti idroelettrici
• Macchine assiali
• Ventilatori, soffianti e compressori
• Motori a combustione interna

Concetti introduttivi

L'energia è il motore di ogni fenomeno, naturale o artificiale; essa fa circolare la materia attivando i processi; se la sua fornitura si interrompe, i processi si arrestano. Essa può soltanto essere convertita da una forma all'altra (perché l'energia è conservativa). Le macchine e gli impianti hanno appunto la funzione di convertire energia da una forma all'altra utilizzando un fluido (liquido o gassoso) che scambia energia con gli organi meccanici.

Quantità (portata kg/s)
Intensità (energia specifica kJ/kg)
Potenza: kg.kJ s.kg kJ s = kW

Le macchine a fluido si possono classificare in modi diversi:

• Macchine motrici e operatrici
• Macchine a fluido incomprimibile (idrauliche) e comprimibile (termiche)
• Macchine volumetriche e turbomacchine

Principi generali per lo studio delle macchine

1. Principio della continuità

Q_min = Q_mout
Q_vin = Q_vout
∫ C_n dA con C_n = velocità ortogonale a dA. In assenza di accumulo di massa, la portata di massa e volumica che entra è uguale a quella che esce.

2. Primo principio della termodinamica

Si utilizza per eseguire il bilancio energetico e, di conseguenza, il collaudo funzionale di una macchina e di un impianto. I sistemi chiusi sono quei sistemi i cui confini non sono attraversati da flussi di massa, ma solo da flussi di energia. Un esempio può essere il circuito acqua-vapore di un impianto termoeletttrico:
m (U₂-U₁) = ∑ P_q + ∑ P_c [kW] (Bilancio Energetico)
A regime U₂-U₁ = 0⇒ ∑ P_q + ∑ P_c = 0

m = massa nel sistema
P_q = pot. termica scambiata con l'esterno
P_c = pot. meccanica all'albero macchina
U = energia interna del sistema
t = tempo
η = P_cIN = 1 - P_cON + P_cON + P_PERDITE ⇒ A regime

Sistemi aperti

Sono quei sistemi i cui confini sono attraversati sia da massa (fluido) che da energia. Un esempio di sistema aperto sono le macchine a fluido.

H^o = u + pv + _c²/² + gz = h + _c²/² + gz
m_s Δus / Δt = Σ Q_m^b + Σ Q_pb
Δus/Δt = Σ Q_m^b

Se il moto è permanente (a regime) ⇒ m_s Δu_° / Δt = 0
Se la trasformazione è adiabatica ⇒ Σ Q_p = 0
Se S H_a ≠ H_b ⇒ Q_m^a = Q_m^b

p_a = Q_m (H_a^° - H_b^°) = Q_m [(H_{a0² + ca²/2 + gza) - (Hb²2 + gzb)]}

Macchina motrice e operatrice

Espansione reale e isentropica
p_aμs = Q_m [(H_aμs + c_a²/2 + gz_e) - (H_b2² + gz_b)]
u_μs = Q_m (H_aμ^o - H_b^o) = Q_m ΔH_μs
u_is = p_aμs / p_as = H_a° - H_μ² / H_a° - H_bi

Compressione reale e isentropica

paμs = Qm [(Haμ2° + gze) - (Hb + c + gzb)]
uμs = Qm (Haμo - Hbo) = Qm ΔHμs
uis = Haμo - Hμi / Haμo° = Hbo

Rendition dovuto ad attriti interni

Non vi sono fornite di calore (trasform. adiabatica).

Nota: nelle macchine idrauliche si ha a che fare con fluido incomprimibile, in altri casi, trascurabili perché le variazioni di temperatura (sia e il energia interna) sono insignificanti.