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Introduzione alle Macchine Operatrici (macchine a fluido)

IV A IPS M.CARRARA

Macchine Operatrici

Nel presente modulo si vogliono fornire cenni circa le principali macchine

operatrici impiegate negli impianti di climatizzazione – pompe, ventilatori e

compressori.

OBIETTIVIOBIETTIVI

� Conoscere le grandezze caratteristiche delle macchine;

� Saper individuare il punto di funzionamento di una macchina in

rapporto all’impianto in cui è installata.

� saper scegliere la macchina più idonea in rapporto all’impianto

mediante l’uso di grafici e tabelle.

� saper calcolare le grandezze fondamentali caratterizzanti il

funzionamento e l’impiego delle macchine.

Si può definire macchina, in senso lato, un qualsiasi convertitore di energia

cioè, in generale, una scatola chiusa in cui entra e da cui esce solo

energia; in particolare una macchina è un complesso meccanico di organi

fissi e mobili che si scambiano reciprocamente delle forze. Nella fattispecie..

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MACCHINA A FLUIDO: è una macchina

in cui la trasformazione dell’energia

avviene principalmente per mezzo di

forze applicate a, o fornite da, un

fluido comprimibile (gas, vapore) o

incomprimibile (liquido).

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDOIn base alla direzione di trasferimento dell’energia tra fluido e macchina

OPERATRICE

La macchina cede

energia al fluido

MOTRICE

Il fluido cede energia

alla macchina

In base al tipo di fluido trattato

IDRAULICA

Il fluido è incomprimibile

(ρ costante)

TERMICA

Il fluido è comprimibile

(ρ non costante)

VOLUMETRICAIl trasferimento di energia avviene

attraverso la pressione statica applicata a

pareti mobili

DINAMICAIl trasferimento di energia avviene

attraverso la variazione della quantità di moto

del fluido

In base al modo di lavorare del fluido

In base al tipo di fluido trattato

Le macchine sono quindi definite Macchine a Fluido in quanto dotate di

organi capaci di scambiare lavoro fra il fluido e gli organi mobili della

macchina. Nella turbina il lavoro transita dal fluido verso gli organi mobili

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

In questa sede si presterà particolare attenzione alla prima classificazione..

della macchina mentre nella pompa tale scambio è invertito

TURBINA

Macchina a Fluido Motrice

POMPA

Macchina a Fluido Operatrice

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MOTRICI

L > 0

� M. C. I.

� T. Vapore

� T. Gas

� T. Idrauliche

� T. Eoliche

MACCHINE

A FLUIDO

OPERATRICI

L < 0

� Pompe

� Compressori

� Ventilatori

� Eliche

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MOTRICI

L > 0

� M. C. I.

� T. Vapore

� T. Gas

� T. Idrauliche

� T. Eoliche

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MOTRICI

L > 0

� M. C. I.

� T. Vapore

� T. Gas

� T. Idrauliche

� T. Eoliche

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MOTRICI

L > 0

� M. C. I.

� T. Vapore

� T. Gas

� T. Idrauliche

� T. Eoliche

CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE A FLUIDO

MOTRICI

L > 0

� M. C. I.

� T. Vapore

� T. Gas

� T. Idrauliche

� T. Eoliche

POMPE: Generalità e classificazione

Le pompe sono macchine che servono a trasportare i liquidi.

Sono macchine operatrici che per funzionare devono essere collegate amacchine motrici, per esempio a motori elettrici, motori a combustioneinterna, turbine, etc.

Le pompe constano di una parte fissa (carcassa) e di una parte mobile,Le pompe constano di una parte fissa (carcassa) e di una parte mobile,che trasmette al liquido l'energia necessaria a muoversi.

In base al diverso modo di operare la trasmissione di energia al liquido, lepompe si suddividono in:

- pompe cinetiche, in cui la parte mobile ruota trasferendo al liquidoenergia cinetica che, solo successivamente si trasforma in energia dipressione.

- pompe volumetriche, in cui il liquido viene spinto dall'organo inmovimento che fa tenuta con la carcassa.

POMPE: Generalità e classificazione

Nelle pompe volumetriche l'energia meccanica di spinta viene trasferita alliquido aumentandone direttamente la pressione.

Alla classe delle pompe cinetiche appartengono le pompe centrifughe(oggetto della lezione odierna).

Alla classe delle pompe volumetriche appartengono le pompe alternativeAlla classe delle pompe volumetriche appartengono le pompe alternativee le pompe rotative.

Le pompe centrifughe sfruttano la forza centrifuga per generare un aumentodi pressione per mettere in moto un liquido.

Le pompe alternative usano pistoni, stantuffi, diaframmi per spostare undato volume di liquido durante una corsa.

Le pompe rotative usano ingranaggi, viti, camme, etc. per generarespostamenti meccanici del fluido.

POMPE: Generalità e classificazione

I primi impianti termici sono stati realizzati con circolazione naturaledell’acqua ma non appena l’elettromecccanica ha messo a disposizionedegli impianti le pompe centrifughe il sistema adottato è stato quello acircolazione forzata. I motivi sono molteplici:

� aumentando le velocità si possono adottare diametri minori delletubazioni e quindi realizzare una riduzione in termini di costi di materiale,tubazioni e quindi realizzare una riduzione in termini di costi di materiale,montaggio e perdite di calore.

� riduzione del contenuto d’acqua dell’impianto

� distribuzione dell’acqua e quindi del calore più uniforme.

I (pochi) svantaggi sono riassumibili in:

� consumo di energia elettrica comunque compensato dal costo inizialedell’impianto contentuto

� dipendenza dalla funzionalità della pompa

Esempio Applicativo

POMPE: Generalità e classificazione

In breve…

POMPE

pompe cinetiche pompe volumetriche

pompe centrifughe

pompe alternative

pompe ad ingranaggi

Caratteristiche costruttive delle pompe centrifughe a flusso radiale

La Figura successiva mostra le parti essenziali di cui è costituita una pompa

centrifuga a flusso radiale, esse sono:

- bocca di aspirazione (bocca aspirante) dalla quale entra il liquido da

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

- bocca di aspirazione (bocca aspirante) dalla quale entra il liquido da

pompare.

- la bocca di mandata (bocca premente) dalla quale esce il liquido in

pressione.

- la girante;

- la carcassa;

- l’albero motore o albero della pompa, che porta ad un estremo la girante

e all'altro il giunto di collegamento col motore.

- bocca di aspirazione

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

Caratteristiche costruttive delle pompe centrifughe a flusso radiale

- bocca di aspirazione- la bocca di mandata- la girante;- la carcassa;- l’albero motore o albero della pompa

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

DESCRIZIONE

Sono costituite da un organo mobile, la GIRANTE, che possiede moto rotatorio

ad elevato numero di giri e da organi fissi: CASSA A SPIRALE (VOLUTA), TENUTE,

CUSCINETTI.

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

Modello 3D

Moto del liquido all’interno di una pompa centrifuga

Nelle pompe centrifughe a flusso radiale, l'entrata e l'uscita del liquido sonoortogonali tra loro.

Come meglio mostra la Figura il liquido giunge alla parte centrale della giranteattraverso il condotto A e scivola sulla paletta della girante stessa seguendone il

profilo.

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

.

La girante imprime al liquido un percorso aspirale risultante da un moto rettilineo e da unmoto rotatorio.

Il moto rettilineo è trasmesso al liquido dallaforza centrifuga che lo spinge dal centro allaperiferia facendolo scivolare lungo la pala.

Il moto rotatorio viene comunicato al liquidodall'essere costretto a ruotare con la girante. Illiquido infine esce dal condotto B

La girante è costituita da un disco su cui sono ricavate delle pale che

formano dei condotti divergenti ed è calettata su un albero sorretto da

cuscinetti.

POMPE CENTRIFUGHE o TURBOPOMPE

Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga

Prevalenza della pompa

L’energia trasferita da una pompa ad un kgf diliquido prende il nome di prevalenza.

� La prevalenza si indica con la lettera H, (vienedall’inglese Head che significa appuntoprevalenza).

� Poiché la prevalenza H è l’energia incorporatada 1 Kgf di liquido essa si esprimerà in metri dicolonna di liquido o m.c.l.

Interpretazione della prevalenza…

� Un altro modo più intuitivo di considerare laprevalenza e di pensarla come il lavoro chebisogna fornire ad un kg di liquido per elevarlodi H metri.di H metri.

� Di seguito si riporta graficamente questainterpretazione facilmente visualizzabile:

L’energia per unità di peso trasferita dalla

pompa al liquido, detta prevalenza,

rappresenta il lavoro necessario a sollevare il

liquido di un’altezza H dall’aspirazione della

Visualizzazione Prevalenza

H= prevalenza della

pompa

liquido di un’altezza H dall’aspirazione della

pompa

Aspirazione della pompa

Mandata della pompa

La legge di Bernoulli chiede che in condizionistazionarie in un sistema isolato l’energia totale di inliquido rimanga costante, ossia che la somma

Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga

Prevalenza della pompa

liquido rimanga costante, ossia che la sommadell’altezza geodetica, cinetica e piezometrica siacostante.

Ora se il liquido passa attraverso una pompa,ovviamente la sua energia totale aumenta. Pertenerne conto di questo è sufficiente modificare lalegge di Bernoulli tenendo conto dell’energia perunità di peso fornita al liquido.

La legge di Bernoulli per liquidi ideali afferma che:

La modifica da apportare è semplice se si fa la seguente

2 2

1 1 2 21 2

2 2

P v P vh h

g gγ γ+ + = + +

Grandezze caratteristiche di una pompa centrifuga

La modifica da apportare è semplice se si fa la seguente

considerazione: trascurando per ora le perdite di carico, possiamo dire

che a valle della pompa, l’energia totale sarà data da quella che

aveva a monte della pompa più l’energia H fornita dalla pompa.

Cioè:

2 2

1 1 2 21 2 (1)

2 2

P v P vh H h

g gγ γ+ + + = + +En. Entrante En. Uscente

En. Ceduta dalla pompa

L’espressione che fornisce H

Dall’equazione (1), si può ricavare l’espressione matematica che fornisce H, semplicemente isolando

H. Si ha:

La (2) viene riorganizzata in una forma che fornisce più informazioni utili. Si ha:

2 2

2 2 1 12 1 (2)

2 2

P v P vH h h

g gγ γ= + + − − −

2 2

2 1 2 12 1 (3)

2

P P v vH h h

gγ

− −= − + +

Interpretazione dell’equazione (3)

L’equazione (3) fornisce H in funzione di differenze di altezze, e ci dice che l’energia fornita dalla pompa viene immagazzinata in

parte sottoforma di altezza geodetica (energia potenziale )

2 1h h−

In parte come altezza piezometrica, cioè come energia dipressione

Ed in parte come altezza cinetica cioè energia cinetica:

2 1

2 1P P

γ

−

2 2

2 1 2

v v

g

−

Dalla considerazione precedente si trae laconclusione, che l’energia ricevuta dal liquido, vieneimpiegata nel caso più generale per:

• sollevare il liquido

• imprimergli una maggior pressione

• aumentarne la velocità

2,6

2,42

,2

1,4

1,6

1,8

2 1P PH

−=

2,6

2,42

,2

3,4

3,63,8

1,4

1,6

1,8

0,6

0,4

0,2

3,4

3,63,8

0,6

0,4

0,2

2 1m

P PH

γ

−=

Esempio applicativo

� Calcolare la prevalenza di una pompa utilizzata per un

impianto di sollevamento di alcool amilico (γ=8007N/m3) da un

serbatoio a pressione atmosferica, ad un altro sotto pressione,

sapendo che nell’impianto ci sono, una valvola di

intercettazione, e una valvola di ritegno, che insieme allaintercettazione, e una valvola di ritegno, che insieme alla

tubatura, globalmente danno luogo alle perdite di carico

indicate. Le sezioni di aspirazione e di mandata della pompa

sono uguali (v1=v2).

Si riporta di seguito lo schema dell’impianto

27 m

γ=8007N/m3

11 m

L’energia fornita dalla pompa solleva il liquido aumentando siala sua altezza geodetica sia la sua energia di pressione.

Poichè la sezione è costante l’altezza cinetica invece rimanecostante cosicché:

Una breve considerazione …

2 2

2 1 02

v v

g

−=

Fatta questa premessa, la prevalenza H può essere calcolatatramite la seguente formula, dopo aver reperito tutti i dati dalloschema dell’impianto:

2 2

2 1 2 12 1 (4)

2

P P v vH h h y

gγ

− −= − + + + Σ

02g

=

I dati reperiti dallo schema sono i seguenti:

h1=11 m.c.l.

h2=27 m.c.l.

P1=101 kPa

Risoluzione

P1=101 kPa

P2= 350kPa

Σy=7 m.c.l.

Sostituendo nella (4) che fornisce la prevalenza H si

ha:

2 2

2 1 2 12 1 3

(350 101) (27 11) . . 0 7 . . . 54 . . . (4)

2 8,007 /

P P v v kPaH h h y m c l m c l m c l

g kN mγ

− − −= − + + +Σ = − + + + =

Curve di grandezze caratteristiche di

pompe centrifughcaratteristiche di

pompe centrifughe

Definiamo il concetto di rendimento..

Che cos’è per voi il rendimento?

Definiamo il concetto di rendimento..

Il rendimento è definito come rapporto tra la potenza utile e la potenza assorbita, cioè ..

PPu

η =

Pa

Il rendimento in oggetto è il rendimento totale della pompa eovviamente è sempre inferiore a 1!

Il rendimento totale è uguale al prodotto di tre rendimenti:

- il rendimento idraulico, ηi

- il rendimento volumetrico, ηv

- il rendimento meccanico, ηm

cioè:

η = ηi ⋅ ηv ⋅ ηm

Questi rendimenti sono in relazione alle perdite idrauliche, volumetriche e

meccaniche all'interno della pompa. meccaniche all'interno della pompa.

� Le perdite idrauliche sono in relazione alle resistenze continue o localizzate

che il liquido incontra nell'attraversare la pompa.

� Le perdite volumetriche sono quelle per fuga di liquido attraverso le tenute o

per circolazione tra mandata e aspirazione o per formazione di gas e vapori che

diminuiscono lo spazio teoricamente disponibile per il liquido diminuendo la

portata teorica.

� Le perdite meccaniche sono dovute agli attriti meccanici tra le parti fisse e le

parti mobile della pompa.

La cavitazione nelle pompepompe

Il fenomeno della cavitazione

La cavitazione consiste in una rapida vaporizzazione, localizzata in

una zona della corrente a bassa pressione assoluta, seguita da una

rapida ricondensazione.

� si manifesta con la formazione di piccole bolle di vapore, il cui collasso

istantaneo genera microgetti ad altissima pressione, che possono

provocare danni anche gravi alla tubazione o alla girante della

macchina idraulica.

Il fenomeno della cavitazione

Problemi conseguenti

� Il collasso delle bolle da cavitazione può danneggiare

pressoché qualunque materiale scavandovi dei fori; se

l’implosione avviene in prossimità di una parete solida, essa

viene colpita da un microgetto liquido che erode il materiale

costituente la parete formando piccole cavità (pits erosivi).costituente la parete formando piccole cavità (pits erosivi).

NPSH

Un parametro quasi universalmente accettato per definire la tendenza

alla cavitazione di pompa, è rappresentato dall’altezza minima di

aspirazione NPSH (dall’inglese Net Pressure Suction Head).

Si distinguono:

- NPSH disponibile

- NPSH richiesto

L’ NPSH disponibile è legato alle perdite di carico della tubazione (fino alla

bocca di aspirazione).

L’ NPSH richiesto alle perdite di carico all’interno della pompa.

� L’andamento del parametro NPSH, R è rappresentato in figura

insieme alle curve caratteristiche della pompa. Esso viene ricavato con

una procedura sperimentale.

NPSH disponibile

L'NPSH disponibile per una pompa è definito dalla seguente espressione:

PA - πNPSHD =

γ

dove:

PA = la pressione di ingresso alla flangia di aspirazione della pompa

π = tensione di vapore del liquido pompato alla temperatura che esso haalla flangia di aspirazione della pompa

γ = peso specifico del liquido pompato del liquido pompato allatemperatura che esso ha alla flangia di aspirazione della pompa.

IL CONCETTO DI TENSIONE DI VAPORE

Il processo di evaporazione in un contenitore chiuso procede fino al

raggiungimento di un equilibrio tra le molecole che escono dalla fase

liquida e quelle che ritornano alla fase liquida stessa.

A questo punto il vapore è detto saturo e la sua pressione si diceA questo punto il vapore è detto saturo e la sua pressione si dice

pressione (o tensione) di vapore saturo.

NPSH richiesto

Il liquido, attraversando la flangia di aspirazione e seguendo il suocammino all’interno della pompa per arrivare all’ingresso dellagirante avrà una ulteriore una diminuzione di pressione.

All’ingresso della girante il liquido avrà la pressione minima.All’ingresso della girante il liquido avrà la pressione minima.

La pompa per non cavitare richiede un certo margine di pressionesopra la tensione di vapore del liquido.

Questo margine, teoricamente uguale alla caduta di pressioneall’interno della pompa è rappresentato dall’NPSH richiesto (NPSHR).