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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).