Appunti impianti meccanici

IMPIANTI MECCANICI

Possiamo trovare due tipologie principali di impianti meccanici:

• Impianti tecnologici: insieme di macchine, apparecchiature e dispositivi che trasformano la materia prima e i semilavorati in prodotti finiti attraverso il ciclo tecnologico. Sono impianti produttivi che vanno a caratterizzare il core business dell'azienda (è caratterizzante per l'azienda). Per funzionare ha bisogno di uno o più impianti di servizio.

• Impianti di servizio: insieme di macchine, apparecchiature e dispositivi che vanno ad alimentare un impianto tecnologico in alcuni punti. A differenza dell'impianto tecnologico, lo troviamo in tutte le aziende e sono simili tra loro (impianto idrico, elettrico, di condizionamento). Vengono dimensionati in base alla potenzialità necessaria all'impianto tecnologico.

L'impianto di servizio può essere classificato in base a tre fattori:

• Entità servita: un impianto di servizio può alimentare l'impianto tecnologico (mezzi produttivi, macchinari) o direttamente le persone
• Tipologia di servizio:
  1. Impianti che alimentano: impianti centrifughi (portano qualcosa, es: impianto idrico)
  2. Impianti di scarico: impianti centripeti (portano via materiale, es: impianto di aspirazione)
• Funzione svolta:
  1. Impianti di alimentazione e distribuzione di energia termica e/o elettrica
  2. Trasporto di materiali solidi e liquidi
  3. Controllo delle condizioni ambientali idonee alla produzione (es: impianto di riscaldamento)
  4. Regolazione dell'interazione con l'ambiente esterno (confort)

COMPONENTI PRINCIPALI DI UN IMPIANTO DI SERVIZIO

• ELEMENTO DI TRASPORTO solitamente è la tubazione
• ELEMENTO ENERGETICO elemento che consente di muovere quello che sto trasportando (es: pompe, compressori); tutto ciò che dà moto a quello che trasporto
• ELEMENTI DI CONTROLLO (es: valvole di regolazione del flusso)
• UTENZE si trovano alla fine dell'impianto di servizio e sono quelle che ne beneficiano: possono essere persone o macchinari che richiedono il servizio
• ELEMENTI DI DISACCOPPIAMENTO elemento che interrompe il flusso, lo accumula e lo ridistribuisce (es: serbatoi o autoclavi nell'impianto idrico)
• ELEMENTI ACCESSORI elementi tipici dell'impianto di riferimento (es: impianto di essiccazione, si trova solo nell'impianto a vapore tecnologico)

DIAGRAMMA DELLE RICHIESTE

Il primo input che vogliamo sapere quando dobbiamo dimensionare un impianto di servizio sono le richieste e il diagramma delle richieste (primo input per il dimensionamento con un approccio impiantistico).

Partendo delle utenze determiniamo Q_P e in base a questa andrò a dimensionare l'impianto. Il diagramma delle richieste indica la richiesta delle varie utenze in un determinato periodo di tempo rilevante (domanda delle utenze in funzione del tempo).

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Da questo diagramma possiamo andare a ricavare una serie di informazioni: Q_max, Q_min e Q̅ e da queste posso calcolare Q_p. Il ciclo diretto parte dalla fonte e arriva alla domanda finale. Noi partiamo dalla quantità richiesta delle utenze. Q_p dipende molto dalla strategia produttiva.

• MTO “make to order” ho già la richiesta del cliente in mano e devo garantire un livello di servizio del 100% quindi non posso permettermi di sottodimensionare l’impianto: Q_p = Q_max
• MTS “make to stock” produco sulla previsione della domanda quindi solitamente ho a che fare con un buffer. Un buffer riesce ad accumulare input quando la domanda è bassa oppure garantisce l’output quando la domanda è alta (regola i picchi della domanda reale). In questo caso, avendo il buffer, possiamo imporre Q_p = Q̅.

Questi due casi sono i casi estremi. Nei restanti casi devo andare a cercare Q’, ossia un valore che consente di dimensionare l’impianto di servizio con un certo rischio (Q̅<Q’<Q_max) che dipende dal tipo di impianto di servizio e quindi dal rischio che posso prendermi.

Determinare Q’ dato un certo rischio.

Quando ha senso andare a calcolare Q’?

Se ho un outlier questo valore va a sfalsarmi il dimensionamento perché questo valore è pari a Q_max (sovradimensionerei l’impianto inutilmente) quindi in questo caso non impongo Q_p = Q_max. Calcolo Q_max e successivamente ^Q_max/₂. Se questo rapporto è maggiore di 2 ha senso prendersi un certo rischio perché ho un outlier; se invece il rapporto è inferiore di 2 non ha senso prendersi rischi (non ho outlier): in questo caso pongo Q_p = Q̅ = Q_min.

Come ricavo Q’ in base alla tipologia della domanda?

Le domande possono essere impulsiva (quando il servizio offerto entra in alcuni punti e non dipende dalla cadenza produttiva; è più un servizio accessorio) o continua (quando l’impianto di servizio va a servire l’impianto tecnologico come materia prima: il servizio entra nell’impianto tecnologico come materia prima e quindi dipende dalla cadenza di produzione).

Caso domanda impulsiva

Prendiamo un impianto idraulico con 20 utenze. Ogni utenza ha una richiesta Q_u = 10 m³/h e queste richieste possono avvenire tramite l’attrezzaggio, che dura 30 minuti. Considero un turno di lavoro di 8 ore e so che ho 3 attrezzaggi. Costruisco il diagramma delle richieste. Consideriamo di rispondere alla richiesta con un impianto di servizio con un livello di servizio del 100%.

Q_p = Q_max = n ° utenze x Q_u = 200 m³/h

Ho un sovradimensionamento dell’impianto. Vado a studiare il fattore di contemporaneità ossia vado a studiare la probabilità che ci siano contemporaneamente più richieste da parte delle utenze ed è quindi legato a un certo rischio. Il fattore di la me considera se ci sono impianti più lenti della capacità media del sistema. Calcolo Q’ come Q’ = Q_max. F uso un approccio probabilistico e per prima cosa calcolo la probabilità p che l’utenza mi richieda un servizio:

• P = ^{1,5 h}/_{8 h} = tempo disponibile per la richiesta di servizio/tempo totale considerato = 0,1875
• Trovo ora la probabilità P_m,α ossia la probabilità, date m utenze, che α utenze mi richiedano il servizio
• P_m,α = ^(m/_α) p^α (1 – p)^{m – α}

dove ^m/_α = ^m!/_{α!(m – α)!}.

Può essere definito in due modi:

1. K_v = portata d'acqua espressa in m³/h ad una temperatura di 20 °C, che passando per la valvola determina una perdita di carico di 1 bar
2. C_v = portata d'acqua espressa in galloni/minuto ad una temperatura di 20 °C, che passando per la valvola determina una perdita di carico di PSI (pound square inch)

C_v = 1,16 K_v

TIPI DI VALVOLE

• Valvola a farfalla ha un otturatore a disco che ruota su un asse perpendicolare alla tubazione.
• Valvola a sfera ha un otturatore sferico, che al suo interno ha un cilindro coassiale alla tubazione
• Valvola a saracinesca l'otturatore è una saracinesca (a ghigliottina): ho una parete che viene sollevata per far passare il liquido. Non è adatta come valvola di regolazione (creo molta turbolenza)
• Valvola a globo l'otturatore ha una forma a T, in questo modo crea meno turbolenza
• Valvola di non ritorno ha come caratteristica principale quella di non consentire al fluido di tornare indietro.

Come varia K_v in queste valvole?

Studio un grafico in cui ha sulle ascisse la % di apertura della valvola e sulle ordinate il coefficiente di portata K_v.La valvola a globo risulta più adatta a gestire la parte a sinistra (perdite basse); per regolare gli alti non è adatta perché varia molto K_v aprendo di poco la valvola. La valvola a saracinesca è più adatta a regolare gli alti perché ha piccole variazioni di K_v. In generale possiamo dire che la perdita di carico delle valvole è direttamente proporzionale a:

ΔP∼(^Q/_Kv)² ⋅ ^ρ_fluido/_ρacqua

Elemento energetico

Questo elemento consiste nelle pompe, che danno energia al fluido, ne consentono il trasporto. Possono essere divise in due tipologie:

1. Pompe volumetriche sfruttano una differenza volumetrica per dare energia al fluido. Prendono l'acqua, la comprimono e la immettono nell'impianto a una pressione più elevata (es: pompe a pistoni, a palette, a lobi)
2. Pompe dinamiche o rotative sfruttano altre fonti di energia per dare moto al fluido, le più comuni sono quelle rotative ad elica che sfruttano il moto dell'elica per dare energia al fluido; in questo caso possono essere assiali o radiali. Quelle assiali possono avere un'elevatissima portata, ma non con molta energia (bassa velocità), quelle radiali hanno una portata più bassa, ma hanno una prevalenza maggiore. Gli impianti idrici solitamente utilizzano pompe radiali.

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