Sistemi per l'Energia e l'Ambiente - Moduli 1-4

Sistemi per l'energia e l'ambiente

Prof. Raffaele Cozzolino

Macchina - insieme di organi meccanici fissi o mobili, collegati tra loro in maniera meccanicamente determinata, dei quali almeno uno è soggetto a forze e produce comunque o subisce lavoro.

Macchina a fluido - Lo scambio di energia avviene per mezzo di un fluido.

Il lavoro ottenuto è sempre inferiore a quello disponibile inizialmente, a causa di perdite inevitabili.

Si studiano i processi di scambio energetico al fine di minimizzare queste perdite.

Macchine

• Motrici - Convertono l'energia in energia meccanica utile
  • Turbine
  • Espansori volumetrici
  • Motori a combustione int.
• Operatrici - Convertono l'energia meccanica esterna in energia di un fluido
  • Pompe
  • Compressori
• Idrauliche - Il fluido di lavoro è incomprimibile ed i parametri termici sono trascurabili
  • Turbine idrauliche
  • Pompe centrifughe, alternative, a ingranaggi
• Termiche - Fluido di lavoro comprimibile, le variazioni di densità dovute a parametri termici sono marcate
  • Turbine (eoliche a gas, a vapore)
  • Compressori
  • Espansori volumetrici
  • Motori a combustione interna
• Volumetriche - Elaborano volumi definiti di fluido e sfruttano una variazione del volume a fini isotermici e isocorici
  • Espansori volumetrici
  • Motori a combustione interna
  • Pompe alternative
  • Compressori alternativi
• Dinamiche (Turbo) - Elaborano una portata continua di fluido
  • Turbine
  • Pompe centrifughe
  • Compressori centrifughi

Pareggi diretto di energia del fluido alla macchina.

Pareggio indiretto di energia dal fluido alla macchina a mezzo di una variazione de [.sic.] cinetica.

ALTERNATIVE

• Forza nel manovellismo
• Biella-manovella
• Pompe alternative
• Compressori alternativi
• Motori a combustione interna

ROTATIVE

• Rotante attorno al proprio albero
• Turbine
• Pompe centrifughe
• Compressori centrifughi
• Motore Wankel

IL CICLO IDEALE TURBOGAS (JOULE)

• 1-2 Compressione isentropica
• 2-3 Addizione di calore isobara
• 3-4 Espansione isentropica
• 4-1 Sottrazione di calore isobara

Nel ciclo Joule il fluido è ideale (cp costante, masse constant) e rispetta l'eq. di stato dei gas perfetti

Esempio: TURBINE A GAS HEAVY DUTY

per impianti industriali, p.m. Caratteristiche diverse delle turbine aeronautiche:

• materiali più "comuni"
• maggior durata

IMPIANTO A VAPORE

• 0-1 Comprimere del liquido da liquido saturo a liquido surriscaldato
• 1-2 Riscaldamento liquido da liquido sottoraffredato a liquido due fase
• 2-2' Vaporizzazione da liquido saturo a vapore saturo
• 2'-3 Surriscaldamento da vapore saturo a vapore surriscaldato
• 3-4 Espansione da vapore surriscaldato a vapore con titolo x
• 4-0 Condensazione da vapore altro con titolo x a liquido saturo

In genere i difetti da 30 anni affinata a relativa velocità ormai aggiunta

Metano dell'iniettore necessari, 5-6 camere misur combustibili

circa di irreversibilità dovuta ad attrito nel vuoto del fluido

la produzione entropica equivale al lavoro di attrito

IdS ≥ ∫_e δ_la

ENERGIA DI PRIMA SPECIE

• potenziale
• cinetica
• di pressione
• elettrica
• meccanica

quando può essere completamente convertita

in un'altra forma di energia, esiste

cioè una mutua sostituibilità.

ENERGIA DI SECONDA SPECIE

non esiste mutua sostituibilità

• termica

Esiste una graduatoria di merito in quanto l'energia termica può

ottenere più come meno di quella a seconda della sua T.

CICLO DI CARNOT

η = 1 - _Tmin/_Tmax = _{Q1 - Q2} / Q₁

massimo rendimento raggiungibile!

SISTEMI APERTI

conservazione della massa

m(a₁+g_z+ _c²12) + ΔE = m(u₂+g_z2+ _c²22 ) + L

massa e energia relativa energia in ingresso relativa in uscita

m[(h₂-h₁)+g(z₂-z_t)](_c²1- _c²2)]= L_c - Q

eq. dell'energia nella forma termodinamica

• non richiede la conoscenza delpercorso della trasformazione
• valida per trasformazioni reversibilied irreversibili

SOLARE

• Fonte rinnovabile
• Entrano diverse tecnologie
  • diretta (es. fotovoltaico)
  • indiretta (es. pannelli solari)

Il solare termodinamico è in fase di sviluppo in Tunisia, USA e Spagna.

BIOMASSE

• Fonte rinnovabile
• Origine da rifiuti e scarti di allevamenti animali

SVILUPPO SOSTENIBILE

Processo finalizzato al raggiungimento di obbiettivi di miglioramento ambientale, economico, sociale ed istituzionale, sia a livello local che a livello globale.

• Interdipendenza tra tutela delle risorse naturali e dimensione economica, sociale ed istituzionale

PROBLEMI:

• Effetti serra
• Esaustimento combust.
• Fonti
• Difficoltà meccanica energetica

Soddisfare i bisogni delle attuali generazioni senza compromettere la possibilità delle prossime di soddisfare i propri.

Solo il 4% del fabbisogno energetico mondiale è soddisfatto da fonti rinnovabili; il 13% del nucleare.

GAS SERRA

• Vapore, CO2, metano
• Ostacolano in parte la riflessione dei raggi solari mantenendo sul nostro pianeta una T media accettabile.

PROTOCOLLO DI KYOTO

(16 marzo 1998) in vigore dal 16 febbraio 2005

• Diminuzione di emissioni
• Produzione di fonti rinnovabili
• Miglioramento efficienza energetica
• Abbattimento gas serra

Calore fornito al ciclo Hirn = Q_e = Q_eva + Q_esu + Q_slu = ΔH_1,3

• evaporatore
• economizzatore
• surriscaldatore

Calore ceduto del ciclo Hirn = Q_c = Q_cond = ΔH_4,0

condensatore

Lavoro ottenuto dal ciclo L = Q_p - Q_c = L_t - L_p = ΔH_1,3 - ΔH_4,0 = ΔH_3,4 - ΔH_0,1

Assumendo la portata unitaria:

q_p = h₃ - h₅ q_c = h₄ - h_o

l = l_t - l_p = h₃ - h₂ - h₄ - h_o

η =

• 9_p-9_c
• 9_p
• h₃-h₁ - h₄+h_o
• g_p

h₃-h₄ - h₃-h₁ - h₁

=

CONDENSATORE

• avviene is sotto isentropico di espansione a pirite di T_max.
• le condizioni di lavoro sono imposte del refrigerante
• T_esp = T_min - P_min ΔH_4,0

50 - 60 kg

per ogni kg

di vapore

perno acqua di bacino naturale

a causa della grande portata richiesta

Grazie al condensatore è possibile chiudere il circuito e usare sempre lo stesso fluido.

GENERATORE DI VAPORE

• Vanno definiti i volori P_max e T_max = T_eva, ottimoli teli che
• h₂ = L_max e L = L_max

vincelota alla resistenza tecnica e di conoscenza dei materiali delle fasci tubieri del generatore di vapore.