Riassunto completo esame di "Macchine a fluido"

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Motori 2 tempi

Si vuole aumentare, a parità del numero di giri, il numero delle fasi utili

(ciclo Clerk)

Si elimina la fase di aspirazione e quella di scarico potendo ottenere una fase utile

per ogni giro dell’albero motore.

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Motori 2 tempi

COME SI OTTIENE?

Si ricava sulla canna del cilindro opportune ed

luci (di scarico e di lavaggio)

eliminando così le valvole sulla testata.

Funzionamento:

Durante la corsa discendente, il pistone scopre (più alte

prima le luci di scarico

rispetto al lavaggio), e attraverso le quali entra

successivamente quelle di lavaggio

miscela carburata (a 1,2÷1,3 bar), che espelle i gas combusti.

.

Luce di scarico

Luce di lavaggio

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Motori 2 tempi

Nel lavaggio si perde parte di miscela fresca (fino al 50%).

Il comprimendo la miscela fresca rimasta nel cilindro (b) giunge al

pistone poi risale,

PMS (c) dove inizia la combustione.

Il fino a

fluido successivamente si espande spingendo il pistone verso il basso,

ricominciare il ciclo con lo scarico (d).

Teoricamente:

il motore a 2 tempi

dovrebbe avere

potenza doppia, a

parità di numero di

giri, rispetto al motore

a 4 tempi, in quanto

ha una fase utile per

giro contro una fase

utile ogni due giri.

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Motori 2 tempi

La potenza non è doppia rispetto il 4T perché:

nella fase di lavaggio di (30-50%),

perdita miscela fresca

• a causa delle luci di scarico e di lavaggio.

riduzione della cilindrata geometrica

•

Negli attuali motori a 2T, mediante la superficie

la compressione avviene nel carter

inferiore del pistone (motori ad accensione comandata) oppure (raramente e solo nei

Diesel), la o tramite una soffiante mossa

compressione avviene cilindro addizionale

direttamente dal motore.

CARATTERISTICA PECULIARE DEI MOTORI 2T

Ogni corsa di ritorno del pistone è una corsa di lavoro.

Questo è reso possibile dal fatto che la funzione di pompaggio non viene svolta dal

cilindro di lavoro ma in un meccanismo separato chiamato pompa di lavaggio.

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Tipologie Motori 2 tempi

Caratterizzati da stesso principio di funzionamento ma possono avere notevoli

differenze realizzative.

ESEMPI DI CONFIGURAZIONE:

- a b

e : si trovano

luci solo ad una

divise in 2

estremità del cilindro,

gruppi: aspirazione/scarico.

Motori con questo tipo di luci sono

detti:

a lavaggio a correnti ripiegate

(ciclo di lavaggio)

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Tipologie Motori 2 tempi

- e : le luci di ingresso sono aperte da un pistone mentre quelle di scarico

C D

da un altro.

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Tipologie Motori 2 tempi

- : sono presenti valvole in testa al cilindro

E

in aggiunta alle luci controllate dal pistone.

Motori in cui le luci di ingresso e scarico sono

agli estremi opposti del cilindro sono detti:

a lavaggio equicorrente

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Processo di lavaggio ideale e reale

In prossimità del PMI sono aperte contemporaneamente sia la luce di scarico che

quella di aspirazione.

La pressione del condotto di aspirazione > di quella del condotto di scarico.

DA EVITARE FLUSSO INVERSO

Tale processo si chiama : LAVAGGIO

Processo ideale:

- Aspirazione e scarico avvengono a P costante al PMI

- Processo adiabatico

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Diagramma indicato pressione angolo di manovella per un motore 2t.

P ingresso

P scarico

1) Apertura luce di scarico (a.s) crolla P. L’angolo di scarico è l’angolo di manovella

tra a.s e il punto in cui si ha P dentro il cilindro = P scarico.

2) Per inerzia del gas si può scendere sotto P scarico.

3) Dopo a.s si apre luce di aspirazione (a.i), quando la P cilindro < P aspirazione

entra la miscela fresca.

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Diagramma indicato pressione angolo di manovella per un motore 2t.

4) Fino a c.i. entra carica fresca e

fino a che :

P cilindro < P aspirazione.

5) Lo scarico si chiude per ultimo

per far defluire i gas residui.

6) Chiuse tutte le luci, il ciclo

prosegue con compressione,

combustione, espansione…

ANGOLO DI LAVAGGIO:

Angolo di manovella durante cui sono aperte sia luci di scarico che di aspirazione.

FASE DI LAVAGGIO:

Intervallo di tempo dell’angolo di lavaggio.

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Diagrammi indicati tipici di motori 2t

Anticipo apertura luci di scarico

rispetto al PMI.

Desidero:

la P nel cilindro = P di scarico al PMI

Devo evitare flusso eccessivo di gas

combusti nel condotto di

aspirazione.

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Processo di lavaggio ideale

Miscela fresca spinge fuori tutti gas combusti senza mescolarsi né scambiare calore:

STANTUFFO FLUIDO

Non abbiamo fuga di miscela fresca attraverso le luci di scarico. .

Il processo ideale riempie il cilindro di carica fresca al PMI a pressione costante p e T

e i

: carica fresca si mescola e scambia calore con gas residui durante la

Nei motori reali

fase di lavaggio e una quota è persa nello scarico (anche .

> 30%)

Come e quanto un motore si avvicina al funzionamento ideale?

Coefficiente di lavaggio R :

s

rapporto tra carica fresca fornita rispetto alla massa aspirabile nel processo di lavaggio

ideale. ρ : densità aria nella miscela in ingresso a Ti e p

s e

M : portata d’aria secca in ingresso al motore per unità di tempo

a

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Processo di lavaggio ideale

Coefficiente di riempimento e :

s

rapporto tra massa di miscela fresca trattenuta nel cilindro e massa aspirabile nel

processo di lavaggio ideale. dove Г è l’efficienza di intrappolamento

Da cui:

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Potenza

In generale si ha: M

W α

η =

= a

M

M LCV c

c η

M LCV

= a

W α

Sostituendo le espressioni appena definite

′

ρ

=

M NV R ρ

=

M NV e

a c c s a c c s

ρ η ρ η ′

NV R LCV NV e LCV

= =

c s s

W c s s

W

α α ′

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Pressione media effettiva

ρ η

R LCV

W r

= = s s

pme α −

NV r 1

d r

=

V V

Con:

ρ η ′ −

c d r 1

e LCV

W r

= = s s

pme α ′ −

NV r 1

d

Il confronto con le equazioni per il 4 T mostra che:

Per un 2t: l’uso del volume spazzato dal pistone al posto del volume del

cilindro implica che la pme è da moltiplicare per r/(r - 1).

Con: r= V /(V -V )=V /V

c c d 1 2 (posto Vd=V1-V2..)

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Relazione tra coefficiente di riempimento e di lavaggio

- Curva a: relazione tra e e R per un processo ideale.

s s

- Curva c: andamento di Г sperimentale

- Curva b, d: modelli proposti per cicli reali tra e e R

s s

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Scelta del tipo di cilindro: considerazioni geometriche

Limiti principale: dimensione delle luci

Definisco:

x= rapporto area delle luci/area del

pistone

- il rapporto dipende da che

Tipo a: x

quota della corsa è adibita alla

apertura delle luci.

- minor rapporto potenziale

Tipo b: x.

Adatto per motori con corse

lunghe e bassa velocità pistone.

- motori ad U o pistoni

Tipo c/d:

contrapposti il rapporto è

x

piccolo, ogni luce serve 2 pistoni.

- si ha elevato rapporto

Tipo e: x.

Tale rapporto è limitato dalle sollecitazioni eccessive nei motori veloci.

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Tipologie lavaggio

LAVAGGIO A CORRENTI RIPIEGATE (a):

- Semplicità costruttiva

- Pme e potenza specifica più bassi rispetto a soluzioni con

diagramma di distribuzione simmetrico (qui le luci sono diverse

tra scarico e immissione)

- Elevati rapporti potenza/peso e potenza/volume: non ho

componenti aggiuntivi

- Assenza di organi aggiuntivi -> alta velocità stantuffo

È importante che l’aria in ingresso segua un dalla

percorso assiale

luce di ingresso, lambendo la parete fino al cielo del cilindro.

Si utilizzano opportuni sulla testa dello stantuffo o

deflettori

condotti delle luci d’ingresso sagomati.

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Tipologie lavaggio

LAVAGGIO A FLUSSO INVERTITO (b):

- Svantaggio -> motori lenti, corsa elevata

area luci limitata

- Possibile valvola ausiliaria allo scarico -> complicazioni meccaniche

- Diffuso nei Diesel

CILINDRO A PISTONI CONTRAPPOSTI (c):

- Elevati e e corsa -> alta pme

s

- Alta potenza specifica Vs complessità meccanica

- Motori marini o locomotori

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Tipologie lavaggio

CILINDRO A PISTONI CONTRAPPOSTI (d):

- Non adatto a Diesel: problemi di tenuta per alti rapporti di

pressione necessari

- Poche applicazioni anche in AC

CILINDRO CON VALVOLE (e):

- Elevati e

s

- Con il

velocità limitate a causa della presenza delle valvole

guadagno di potenza specifica non è accompagnato a guadagno

potenza/peso e potenza/volume

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Effetto del progetto condotti di aspirazione e scarico

ONDE DI PRESSIONE:

- Effetto favorevole nei condotti di scarico lunghi

- Utile se la frequenza delle onde di pressione nei condotti di scarico rende bassa la P

(interrompe

durante la parte iniziale del lavaggio e alta nella parte terminale

flusso allo scarico)

- Possono sostituire a volte la pompa di lavaggio

TENDENZE COSTRUTTIVE:

- Utilizzo pompa di lavaggio con condotti corti

- Diametro condotti maggiore dell’alesaggio

- Pompa di lavaggio costituita da un compressore centrifugo (rendimento sensibile a

onde di pressione)

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Effetto del progetto condotti di aspirazione e scarico

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Pompe di lavaggio

TIPOLOGIE UTILIZZATE:

Volumetriche

• Centrifughe

• Reversibile Roots

Carter-pompa A pistone

Macchine Volumetriche: motori a 2 tempi

Pompe di lavaggio: volumetriche

Pompe volumetriche:

- Sistemi carter-pompa, a pistoni, reversibili Root ρ

=

La può essere espressa: M N D e

portata d’aria fornita dal compressore a c c 1 c

N : numero giri al minuto

c

D : volume spazzato per giro

c

e : rendimento compressore

c

ρ : densità aria in ingresso compressore

1 N D p e T

= c c 1 c i

R

Il coefficiente di lavaggio può essere espresso come: s NV p T

c e 1

−

N /N = 1 e D /V = (r-1)/r

Per i sistemi carter pompa: ( r 1

)

T

c c c = i

R e

Inoltre per i 2t p /p =1 quindi si ha:

1 e s c

rT

1

Con T /T salto di temperatura dipendente dal rapporto di

i 1

compressione del compressore e dal suo rendimento.

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Pompe di lavaggio: volumetriche

−

( r 1

)

T

= i

R e

s c

rT

1

R << 1 dato il basso rendimento di tali pompe.

s

Il rendimento volumetrico delle pompe e quindi la massa elaborata non è molto

influenzato dalla pressione all’uscita.

R resta praticamente costante anche quando la luce di passaggio è parzialmente

s

ostruita da depositi carboniosi o anche nel caso di aggiunta di restrizioni nei condotti

di scarico, come ad esempio marmitte o altro.

È evidente che tali restrizioni implicano un aumento del rapporto di compressione

sulla pompa e quindi un aumento della potenza assorbita dalla pompa stessa.

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Pompe di lavaggio: centrifughe

La portata d’aria è pesantemente influenzata dalla resistenza del motore e del

sistema di scarico.

Quando il compressore è mosso dal motore, il salto di pressione sulla pompa varia in

proporzione del numero di giri.

La pompa centrifuga dà buone prestazioni purché la resistenza del sistema a valle

dalle

non sia pesantemente influenzata dai depositi carboniosi sulle luci di passaggio,

restrizioni nei condotti di scarico o da tubi di scarico particolarmente lunghi che

possano dar luogo ad onde di pressione avverse in certi campi di velocità.

COMBUSTIBILI E COMBUSTIONE

COMBUSTIONE COMPLESSA CATENA DI PARTE DA UNA MISCELA DI:

REAZIONI CHIMICHE COMBUSTIBILE

OSSIDANTE

PERMETTE LO SVILUPPO DI UNA

NOTEVOLE QUANTITA’ DI ENERGIA PORTA ALLA OSSIDAZIONE

TERMICA DEI CARBONI E DEGLI

IDROGENI

PRODUZIONE DI

ANIDRIDE CARBONICA

ED ACQUA

IMPIEGATA UTILMENTE IN:

CONVERSIONE IN •M.C.I.

ENERGIA MECCANICA •T.A.G.

COMBUSTIBILI E COMBUSTIONE

IN ABBONDANZA

•DISPONIBILITA’

STOCCABILI

•FACILMENTE

COSTO DI PRODUZIONE E DISTRIBUZIONE

•BASSO

COMBUSTIBILI: REQUISITI POTERE CALORIFICO X UNITA’ DI MASSA

•ELEVATO DI ACCENDIBILITA’

•RAPIDITA’

DEVONO DARE LUOGO A PRODOTTI TOSSICI

•NON DEVONO DARE LUOGO A DEPOSITI CARBONIOSI

•NON

CLASSIFICAZIONE IN FUNZIONE DEL LORO STATO FISICO

•SOLIDI •LIQUIDI •GASSOSI

COMBUSTIBILI SOLIDI

PRODOTTI FOSSILI NATURALI (ES. CARBONE)

CARBONE NATURALE

Presentano spesso concentrazioni non trascurabili di zolfo (S), ad esempio da 0,5% a 4%, e di umidità (H2O)

(50% appena tagliato)

•LEGNO

Valori elevati del contenuto in acqua per: (fino al 90%)

•TORBA

MEDIANTE ESSICCAZIONE SI PUO’ OTTENERE UN CONTENUTO DI ACQUA AL DI SOTTO DEL 20% PER LEGNO

E TORBE, 10% PER LIGNITI E VALORI DEL 0.5% - 2% PER I CARBONI VERI E PROPRI

IL CARBONE

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE

CARBONIFICAZIONE (DISTILLAZIONE IN ASSENZA DI ARIA) DI

MINERALE ORIGINATO DALLA

MATERIALE VEGETALE, SOPRATTUTTO LEGNO, CHE SI È ACCUMULATO IN AMBIENTE

ANAEROBICO E CHE È STATO SEPOLTO DA UNA COLTRE SEDIMENTARIA

E’ COMPOSTO PRINCIPALMENTE DA CARBONIO, TRACCE DI IDROCARBURI, OLTRE A VARI

ALTRI MINERALI ACCESSORI ASSORTITI, COMPRESI ALCUNI A BASE DI ZOLFO

REAZIONE FORTEMENTE ESOTERMICA.

IL CARBONE HA LA PROPRIETÀ DI BRUCIARE CON

NELL’ANALISI DEI DIVERSI TIPI DI CARBONE VENGONO DETERMINATI L’UMIDITÀ, LE

MATERIE VOLATILI, IL TENORE DELLE CENERI, IL CARBONIO E LO ZOLFO

SECONDO LA CLASSIFICAZIONE GEOLOGICA, IL CARBONE PUÒ ESSERE SUDDIVISO IN: TORBA,

LIGNITE, LITANTRACE, ANTRACITE LITANTRACI E ANTRACITI:

CARBONI FOSSILI X IMPIEGO INDUSTRIALE

RICCHI IN SOSTANZE VOLATILI

SECCHI (ACQUA, GAS, VAPORI CATRAMOSI)

GRASSI MINORE CONTENUTO DI

SOSTANZE VOLATILI

CARBONI + VECCHI

MAGRI (+ CARBONIO, - SOSTANZE VOLATILI)

(ANTRACITOSI) DERIVANO DALLA DISTILLAZIONE AD

COMBUSTIBILI ARTIFICIALI ALTA TEMPERATURA DI CARBONI GRASSI,

(LEGNA COKE) OPPURE DA PIROLISI DEL PETROLIO

INCONVENIENTE DEI COMBUSTIBILI SOLIDI: TRASPORTO

SONO STATE SVILUPPATE TECNICHE DI GASSIFICAZIONE E LIQUEFAZIONE DEL CARBONE

RENDONO POSSIBILE L’IMPIEGO IN CAMERE DI COMBUSTIONE O GENERATORI DI VAPORE

IL CARBONE

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE

IL CARBONE:

TORBA E' LA PRIMA FASE DEL

PROCESSO DI

CARBONIZZAZIONE DELLE

BIOMASSE SEPOLTE IN

AMBIENTE ANAEROBICO.

QUANDO VIENE SECCATA LA

TORBA BRUCIA

FACILMENTE, IL SUO

CONTENUTO DI CARBONIO

È DEL 50% CIRCA

IL CARBONE:

LIGNITE COL PASSARE DEL TEMPO E

L'AUMENTARE DELLA COPERTURA,

LA TORBA È DISIDRATATA E PRESSATA

REAZIONI CHIMICHE DEL MATERIALE

VEGETALE PROVOCANO UN

AUMENTO DEL TENORE DI

CARBONIO E LA TORBA SI

TRASFORMA IN LIGNITE, UN

MORBIDO MATERIALE COLOR

BRUNO-NERO, SIMILE AL CARBONE,

CON UN TENORE DI CARBONIO DEL

70 % CIRCA

IL CARBONE:

LITANTRACE

A TEMPERATURE ELEVATE,

COME QUELLE CHE SI

REGISTRANO A GRANDI

PROFONDITÀ,

ATTRAVERSO LA

"CARBONIZZAZIONE" LA

LIGNITE DIVENTA LIGNITE

NERA E QUINDI

LITANTRACE BITUMINOSO,

CON UN TENORE DI

CARBONIO DELL' 80/90%

IL CARBONE:

ANTRACITE

MAN MANO CHE AUMENTA

IL GRADO DI

CARBONIZZAZIONE, IL

CARBONE DIVENTA PIÙ

DURO E PIÙ BRILLANTE E

IL TENORE DI CARBONIO E

IL POTERE CALORIFICO

AUMENTANO.

L'ANTRACITE HA UN

CONTENUTO DI

CARBONIO FINO AL 98%

IL CARBONE:

METODI DI ESTRAZIONE

PER ESTRARRE IL CARBONE DA GIACIMENTI CHE SI TROVANO A UNA

PROFONDITÀ SUPERIORE AI 30 METRI SI POSSONO REALIZZARE TRE

TIPI DI MINIERE:

COSTITUITI DA UNA COPPIA DI CONDOTTI VERTICALI CHE

1) POZZI,

RAGGIUNGONO I GIACIMENTI PIÙ PROFONDI;

GALLERIE INCLINATE CHE CONDUCONO A DEPOSITI DI

2) A RAMPA,

CARBONE DISPOSTI DI TRAVERSO;

3) A CHE RAGGIUNGONO VENE DI CARBONE SITUATE

MEZZA COSTA,

NEL FIANCO DI UNA MONTAGNA ATTRAVERSO UN UNICO TUNNEL.

LE O CAVE SI REALIZZANO QUANDO LA VENA

MINIERE A CIELO APERTO

DEL CARBONE SI PORTA ALLA LUCE ASPORTANDO GLI STRATI

SUPERFICIALI DI ROCCIA MEDIANTE ESCAVATORI.

IL CARBONE:

METODI DI ESTRAZIONE

IL CARBONE:

DISTRIBUZIONE DEI GIACIMENTI

GIACIMENTI DI

CARBONE

ACCERTATI, TRA

PARENTESI

SONO INDICATE

LE QUANTITÀ

DI ANTRACITE E

LITANTRACE

BITUMINOSO

IN MILIARDI DI

TONNELLATE