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MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI1 LEZIONEIl contesto energetico: situazione attuale esviluppi futuriCos’è una macchina a fluido? Oggetto costituito da un insieme di elementi fissi e mobili che interagiscono con un fluido di lavoro (liquido vapore e gas), realizzando con esso uno scambio energetico.Esem...

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MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI 1 LEZIONE

Il contesto energetico: situazione attuale e sviluppi futuri Cos’è una macchina a fluido? Oggetto costituito da un insieme di elementi fissi e mobili che interagiscono con un fluido di lavoro (liquido vapore e gas), realizzando con esso uno scambio energetico. Esempio girante di un compressione, con sezione di ingresso e uscente, con anche delle velocità particolari: u1 e u2 velocità della girante in entrata e in uscita, e w1 e w2 come velocità relativa del fluido in ingresso e uscita. FLUIDI DI LAVORO

GAS, LIQUIDO E MISCELA Scambio energetico: entra energia sotto una determinata forma e la converte in un'altra forma; classificazione: -

Macchine motrici: producono lavoro, partendo da energia chimica per esempio in energia meccanica, o energia di pressione in e meccanica. Operatrici o compressione o pompa: per incrementare energia del fluido di lavoro.

CENNI STORICI (VEDI LIBRO) La fluidodinamica è sempre stata di interesse e si ha sempre cercato di sfruttarla: il primo strumento fu lo “shadouf” per irrigare (bilancino con contrappeso); altri esempi furono: vite di Archimede, mulino. Mulinello di Erone (eolipila): riscaldo una pentola d’acqua che evapora, scarica il vapore dai tubi di scarico e dando una rotazione, utile per azionare macchinari. Dal punto di vista del RENDIMENTO: Turbine a gas: da 20 a 60% di rendimento. Anche per motori a combustibile. Forte interazione fr macchine energetiche e l’uomo. La macchina a fluido converte energia in lavoro meccanico o elettrico, per cui sono necessarie di fonti di energie: risorsa energetica che consente • •

di convertire l’energia proveniente da diverse fonti energetiche in lavoro meccanico ed energia elettrica (macchine motrici) di convertire il lavoro meccanico in energia posseduta da un fluido (macchine operatrici) In ogni caso, per effettuare tali conversioni energetiche sono necessarie fonti di energia di vario tipo.

Classificazione FONTI DI ENERGIA:

• •

rinnovabili: legate all’irraggiamento solare illimitate: idrica, solare, geotermica, eolica, biomasse + fonde legata alle maree (per presenza Luna); non rinnovabile o fossili: carbone, petrolio, gas naturale, uranio: risutato finale delle trasformazioni subite da resti organici antichi.

Trend popolazione: è ragionevole pensare che saremo fino a 11 miliardi di persone alla fine del secolo. Correlazione fra persone e consumo di energie: cerco di stimare il fabbisogno energetico, anche se ho molte fonti varie; MISURA FABISOGNO ENERGETICO mi serve una unità di misura per confrontare: MTOE: milioni di tonnellate di petrolio equivalenti PER I COMBUSTIBILI FOSSILI: confronto i poteri calorifici con quello del petrolio (equivalenza termica) PER ALTRA FONTE (nucleare, rinnovabile e idroelettrico): producono energia elettrica, la divido per un rendimento medio per centrale a petrolio e divido per il potere calorifico (equivalenza termodinamica). L’incremento della popolazione e del benessere comporta un continuo aumento di energia primaria, tranne per grandi crisi finanziarie o guerre. Idroelettrico ed eolico è sempre esistito, quindi è distinto dalle energie rinnovabili. In grossa parte è soddisfatto con combustibili fossili. Il consumo di energia primaria l’anno scorso è cresciuto del 2,2% rispetto a quello precedente, quando normalmente era di 1,7%: si è dovuto sfruttare più le fonti energetiche, e quello in cui cresce di più da diciassette anni è la Cina. Le emissioni di CO2 sono aumentate dell’1,6% fino ad un triennio in cui non era cresciuto. Le energie rinnovabili sono in continua crescita: 17% in più per eolico e +35% del solare, e in complessivo l’8,4% del fabbisogno mondiale. Il 50%dell’incremento è stato assolto con quelle rinnovabili e quello che investe di più è la Cina. Per il nucleare dopo Chernobyl non hanno costruito impianti nucleari in generale. Anche per Fukushima era scesa molto . INVESTIMENTI: grafici eolica e solare.

Nucleare e idroelettrico: il nucleare comunque sta crescendo senza avere nuovi impianti. Per l’idroelettrico nei paesi è costante, tranne in Asia che sta crescendo tantissimo, non avendo ancora sfruttato tutte le potenzialità.

Solare ed eolico: in Europa c’è la maggior percentuale. Biocarburanti: in competizioni con il cibo, rubano risorse come campi e acqua -> cellulosa e sviluppi non-food. Aspetto critico: la reale percentuale delle fonti non rinnovabili in realtà non cambia, e quindi la CO2 aumenta sempre essendo legata alle fonti fossili. per quanto riguarda le emissioni di CO2 dato che oltre il 60% dell'energia elettrica continua ad essere prodotta mediante fonti fossili. PROBLEMATICHE ENERGIE RINNOVABILI Eolica e solari: si hanno dei costi maggiori per produrre energie. Problemi legati alla casualità: legati alla disponibilità della risorsa (casualità), che non seguono la richiesta dell’utenza, per cui devo regolare i contributi che entrano in rete. Ci sono anche dei problemi legati alla rete elettrica, per cui si pensa di stoccarla, tipo per pompare acqua in un bacino idroelettrico o uno stoccaggio elettrochimico, nelle batterie, che sta crescendo molto. FLUSSI ENERGETICI PIANETA ➔

Rendimento globale: 45% (numeri in petajoule)

FLUSSI ENERGETICI CINA: usa quasi solo le proprie fonti primarie. ARABIA SAUDITA: vende tutto il petrolio in pratica ITALIA: non abbiamo fonti fossili, o comunque sono molto scarse per avere l’indipendenza energetica. TREND ITALIA: grandi problemi legati alla soddisfazione della energia elettrica, dovendo importare il 15% dell’energia elettrica, cosa che costa molto e non siamo indipendenti elettricamente. La Francia spesso ci vende energia. Ora si usa molto il gas, ma dal 2015 abbiamo cercato di togliere i cicli a gas per puntare sulle rinnovabili, per cui abbiamo sbagliato la politica energetica, per cui siamo scarsamente competitivi. Incentivando l’energia fotovoltaico, abbiamo un 9% legato ad impianti fotovoltaici, 6% eolico e 18% idroelettrico, per cui a rinnovabili siamo circa al 35% della soddisfazione del fabbisogno. PETROLIO Petrolio ha un prezzo molto oscillante, legato anche ad effetti politici, tipo la rivoluzione iraniana e le due guerre del golfo. Si continua a produrre il petrolio sempre di più, mentre le raffinerie usano sempre lo stesso tasso, quindi non ne servono di più. Non si sa quanto durerà il petrolio, però sicuramente per i prossimi 30/40 anni dovremmo essere apposto, e sembra pure che si trovano sempre nuove riserve di petrolio. Stesso discorso per il gas naturale.

NEI PROSSIMI ANNI: aumenterà la popolazione e anche del reddito procapite, grazie ad un aumento del PIL complessivo. PAESI OECD: organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (34 paesi avanzati e alcuni emergenti) I consumi saranno assestati in Europa ma cresceranno in Asia e Africa. Fino al 2035 le fonti fossili sicuramente domineranno lo scenario energetico. Legato ai trasporti, si ha un fabbisogno del 21% di quello globale. Esistono mezzi di qualsiasi tipo di alimentazione. Le auto elettrificate è circa del 2% (elettriche, ibride ecc.). Pensando ad una nuova fonte di alimentazione delle auto, non dobbiamo fermarci al consumo di energia della auto, ma quello della fonte di energia primaria. Per gli idrocarburi, abbiamo un costo di raffinazione e basta. Per l’energia elettrica comunque abbiamo lo stesso problema dell’energia primaria. Fondamentale quindi l’analisi WELL TO WHEELS: devo considerare i megajoul di energia primaria al kilometro, e la Co2 non va confrontata al km.

FUTURO DEI TRASPORTI: ci si aspetta secondo Bloomberg nel 2040 il 35% delle auto sarà elettrica, mentre in altre previsioni si pensa ad un 14% nel 2030, quindi il motore a combustione interna rimarrà ancora. PROBLEMATICHE BATTERIE: materie prime: litio (ce n’è e non è tanto costoso) e cobalto (più limitata disponibilità: si trova molto in Congo che è molto instabile politicamente). L’anno scorso l’uso del cobalto ha superato quello per le batterie delle auto rispetto a quello dei cellulari, quindi il prezzo è aumentato tantissimo per le batterie. I motori elettrici sono pieni di terre rare, che sono di disponibilità limitata, quindi costano tanto. Altra possibilità: e-fuel. Prendo energia elettrica con una fonte di energia elettrica, e catturo CO2 dall’atmosfera, produco idrogeno e faccio reagire per ottenere idrocarburi per avere quindi combustibili fossili basati su energie rinnovabili (carbo elettro fuel).

EMISSIONI DI CO2 Si ha avuto un continuo aumento delle emissioni di CO2, che sicuramente è correlato al fabbisogno energetico. Sembra esserci sto ora il picco di CO2 da sempre, anche se siamo davvero sicuri sui dati del passato?! CO2 gas serra: trasparente a radiazione incidente ma opaco a quella riflessa. C’è una correlazione tra CO2 e la temperatura del pianeta? Dai dati sembra di si. Si stima di aver fatto cresce la temperatura di 0.8°C dal periodo preindustriale. -> proiezione anomalia di temperatura: nel 2100 avremo fino a 5°C. Da 6° in poi ci sarebbero problemi ci sarebbero 150m sopra New York, ma anche se fossero in meno ci sarebbero 600m di ghiaccio su New York.

La finestra di temperatura ideale quindi è molto stretta. DAL 1800 non si usavano i carburanti fossili, ma ora? “L’età della pietra non finì perché finirono le pietre, l’età del petrolio non finirà perché finirà il petrolio” SCENARI: rinnovabili circa 30%. Si ipotizzano 6 scenari diversi pensati da ABB:

Teoria probabile: 2050 si useranno praticamente solo fonti rinnovabili oppure si ipotizza un picco di richiesta energetica nel 2030 e poi ci sarà meno bisogno di energia. Picco petrolio 2023. 2032 picco consumo energia primaria. SOLUZIONI INGEGNERISTICHE Tutto passa da sistemi energetici e dalle macchine a fluido, che sono ovunque. ARGOMENTI CORSO: • • • • • •

classificazione e equazioni macchine macchine idrauliche: pompe, turbine, ventilatori; punto di vista costruttivo e funzionamento turbine eoliche e anche di sistemi di accumulo compressori di gas impianti a vapore turbine a gas: cicli combinati e cogenerazione

2 LEZIONE ALTRE SLIDE su nuova versione LEGATE A FISICA TECNICA

Principi fondamentali delle macchine a fluido Definizione MACCHINA A FLUIDO: oggetto costituito da un insieme di elementi fissi e mobili che interagiscono con un fluido di lavoro (liquido vapore e gas), realizzando con esso uno scambio energetico. Classificazione secondo 3 CRITERI: tipo di fluido usato (idrauliche e termiche), direzione del flusso e del lavoro (operatrice o motrice=fa lavoro), e modo in cui si scambia l’energia (volumetriche o turbomacchine).

FLUIDO DI LAVORO

Macchine idrauliche = La comprimibilità del fluido NON INFLUENZA gli scambi energetici e può essere trascurata. L’effetto della temperatura sulla densità è trascurabile. Macchine termiche = La comprimibilità del fluido ESERCITA UNA GRANDE influenza sugli scambi energetici tra fluido e macchina.

METODO DI SCAMBIO Macchine volumetriche • • • •

Il fluido di lavoro viene elaborato dalla macchina in un volume di controllo variabile nel tempo in modo periodico. Flusso tipicamente instazionario (sistema ora aperto, ora chiuso). Il fluido scambia lavoro con la macchina agendo staticamente (pressione) su superfici in movimento Possono essere di tipo alternativo (motore a combustione interna, compressore) o rotativo (motore wankel, pompa a vite) in funzione del tipo di moto realizzato o ➢ Vantaggi: elevati lavori specifici. o ➢ Svantaggi: non sono in grado di trattare elevate portate di fluido

Turbomacchine (o flusso continuo) • • •

Il fluido di lavoro viene elaborato dalla macchina attraversando canali fissi e mobili sempre aperti. Flusso tipicamente stazionario (sistema sempre aperto). Proprietà del fluido non variano nel tempo Il fluido scambia lavoro con gli organi della macchina in virtù della variazione della sua quantità di moto o del suo momento della quantità di moto o ➢ Vantaggi: elevate portate di fluido trattate. o ➢ Svantaggi: bassi lavori specifici.

ESEMPI 1. Macchine idrauliche, operatrici, volumetriche (alternative e rotative): pompe a pistoni o rotative; 2. Macchine idrauliche, operatrici, turbodinamiche: pompe centrifughe e assiali, ventilatori; 3. Macchine idrauliche, motrici, volumetriche: attuatori volumetrici a pistoni (per movimentazione bracci meccanici), motori volumetrici a pistoni, motori idraulici rotativi (ad ingranaggi); 4. Macchine idrauliche, motrici, turbodinamiche: turbine idrauliche Pelton, Francis e Kaplan e turbine eoliche per produzione di energia elettrica; 5. Macchine termichem operatrici, volumetriche (alternative e rotative): compressori a pistoni, compressori rotativi (a lobi, a palette) 6. Macchine termiche, operatrici, turbodinamiche: compressori centrifughi e assiali 7. Macchine termiche, motrici, turbodinamiche: turbine a vapore assiali, turbine a gas; 8. Macchine termiche, motrici, volumetriche: espansori volumetrici (alternativi e rotativi) e motori a combustione interna a pistoni, a ciclo Otto e Diesel.

Differenze: hanno lo stesso obbiettivo, ma mentre il motore ricava energia dal movimento dei cilindri, la turbomacchina non ha elemento che si muovono, se non rotazione.

TURBOMACCHINE MOTRICI ASSIALI Come studiare macchine e sistemi energetici? Obiettivi • Stimare l'efficienza, le prestazioni ed eventualmente le emissioni inquinanti di una macchina o di un impianto • Identificare quali sono i principali parametri operativi che le governano. Importante efficienza e prestazioni! E' necessario: 1) Studiare nel dettaglio gli scambi di massa, energia e quantità di moto tra macchina e fluido. 2) Comprendere l'evoluzione di energia, massa e quantità di moto nei differenti componenti della macchina o dell'impianto. 3) Conoscere le proprietà dei fluidi di lavoro. 4) Definire indici adatti che siano in grado di caratterizzare efficienze e prestazioni.

Turbomacchine ELEMENTI COSTITUTIVI L’elemento base della turbomacchina è lo stadio composto da rotore o statore (distributore – se non palettato - che devia il flusso). Il fluido poi percorre i canali della girante che sono mobili, e prima e dopo incontra delle parti ferme. Operatrici (compressor): -> incremento energia del fluido • •

Rotore: girante cede lavoro al fluido Statore: conversione di energia cinetica in pressione

Motrici (turbine): • •

Statore: Conversione di energia cinetica in energia di pressione Rotore: fluido cede lavoro alla girante

Si possono poi classificare le turbomacchine a seconda dello sviluppo radiale del flusso: •

• •

Assiali (piccola componente radiale e soprattutto assiale e tangenziale): il flusso rimane parallelo all’asse di rotazione della macchina. Mista (apprezzabile componente radiale): tutte le componenti della velocità apprezzabili. Radiali (prevalente componente radiale): fluido prevalentemente perpendicolare all’asse della macchina (poca componente assiale)

1) Piano interpalare S1: piano o superficie che tagli la macchina secondo una “superficie cilindrica in asse con quella della macchina”. Rilevante per capire gli scambi di lavoro. 2) Piano meridiano S2: un piano che passa per l'asse della macchina. Legato alla portata smaltita dalla macchina. 3) Piano secondario S3: Piano ortogonale agli altri due. Non contribuisce a scambi di massa e lavoro ma è importante per comprendere alcuni tipi di perdita.

NOMENCLATURA ( parte non molto importante) PARAMETRI DESCITTIVI DI UNA PALA – – –

bordo d'attacco, leading edge, LE (parte frontale, o naso, della pala) bordo d'uscita, trailing edge, TE (parte terminale, o coda, della pala) intradosso, pressure side, PS (superficie concava della pala: su questa superficie le pressioni sono più alte e le velocità più basse) estradosso, suction side, SS (superficie convessa della pala: su questa superficie le pressioni sono più basse e le velocità più alte)

–

La distribuzione di pressione sulle superfici della pala determina le forze (e la coppia) che fluido e pala si scambiano. (più importanti) -

aspect ratio, A = rapporto fra l'altezza e la corda della pala A=h/l tip (apice): sezione a raggio maggiore ra mean section (sezione media):sezione a raggio medio rm hub (base): sezione a raggio inferiore rb

Sistemi chiusi: primo e secondo principio della termodinamica Sistema chiuso: non esiste scambio di massa tra sistema ed ambiente attraverso il contorno S. Sistema aperto: sistema e ambiente scambiano massa attraverso il contorno S. Convenzioni: 1) Calore positivo se entrante nel sistema 2) Lavoro positivo se compiuto dal sistema sull'ambiente Q ed L sono i parametri che vedo dall’esterno, quindi sono quelli che do o ricevo al fluido, non mi interessa cosa succede al fluido, quindi è come se fossero grandezze esterne. Il fluido è una scatola chiusa (black box) e non so cosa gli succede, mi interessa solo quello che passa nell’interfaccia, ovvero calore e lavoro scambiati. Q, L: lavoro e calore scambiati dal sistema con l'ambiente (attraverso la superficie Σ) In un sistema chiuso, la variazione di energia interna è pari alla somma del lavoro e del calore scambiati dal sistema con l'ambiente. ∆𝑈 = 𝑄 − 𝐿

Riferito a grandezze specifiche (per unità di massa del sistema):

L ΔU Q = − ⇒ Δu = q − 𝑙 m m m A noi interessa soprattutto la formulazione differenziale, con du è un differenziale esatto e quindi dipende solo dallo stato del sistema, mentre i differenziali inesatti dipendono anche dalla trasformazione:

𝒅𝒖 = 𝜹𝒒 − 𝜹𝒍 TRASFORMAZIONE REVERSIBILE O IRREVERSIBILE Quando una trasformazione è reversibile (assenza di attrito all'interno del fluido di lavoro e tra fluido e pareti della macchina), il lavoro scambiato dal sistema è pari a:

𝒅𝒍𝒓𝒆𝒗 = 𝒑𝒅𝒗

con v=volume specifico [kg/m^3]

Attrito fluidodinamico: è legato alla viscosità del fluido e si manifesta in differenti circostanze. Non mi interessano altri tipi di attriti. Fenomeni che causano dissipazione: • • •

Interazione fluido parete Vortici Interazioni fra differenti correnti

In presenza di attrito fluidodinamico, parte dell'energia posseduta dal fluido viene dissipata in calore.

Lw è il lavoro d’attrito (NON È UN DIFFERENZIALE ESATTO!!), che è quello che viene per esempio interamente dissipato dal mulinello di Joule, e comprende gli effetti della dissipazione: -

𝑑𝑙 = 𝑑𝑙𝑟𝑒𝑣 − 𝑑𝑙𝑊 →

𝑑𝑙 = 𝑝𝑑𝑣 − 𝑑𝑙𝑤

lw è definito positivo dl è il lavoro che il sistema scambia con l'esterno (cede o riceve)

Conseguenze: 1) In una macchina operatrice, a pari effetto utile, il lavoro che va fornito al fluido è maggiore a causa delle perdite. 2) In una turbina il lavoro disponibile all'albero è minore di quello ideale Il primo principio della termodinamica può essere scritto in una forma differente per considerare l'effetto delle irreversibilità: 𝑑𝑢 = 𝛿𝑞 − 𝛿𝑙 = 𝛿𝑞 − (𝑑𝑙𝑟𝑒𝑣 − 𝑑𝑙𝑤 ) = 𝛿𝑞 − 𝑝𝑑𝑣 + 𝑑𝑙𝑤

𝑑𝑢 + 𝑝𝑑𝑣 = 𝛿𝑞 + 𝑑𝑙𝑤

Altra versione primo principio: metto in luce il lavoro scambiato e le eventuali dissipazioni, quindi ci mettiamo dal punto di vista del fluido e cosa sta influenzando le sue variazioni si condizione. L'effetto delle irreversibilità sullo stato del fluido è analogo a quello dello scambio di calore.

Funzione di stato ENTROPIA: L'entropia per un processo reversibile è definita come: 𝑑𝑠 =

𝑑𝑞

𝑇

→

Il primo principio della termodinamica può essere espresso come:

2 𝛿𝑞

∆𝑠 = ∫1

𝑇

Sapendo che: • 𝑑𝑢 = 𝛿𝑞 − 𝛿𝑙 = 𝛿𝑞 − 𝑝𝑑𝑣 + 𝛿𝑙𝑤 ➔ • 𝑑𝑢 = 𝑇𝑑𝑠 − 𝑝𝑑𝑣 ➔  𝑇𝑑𝑠 = 𝛿𝑞 + 𝛿𝑙𝑤

𝑑𝑢 + 𝑝𝑑𝑣 = 𝛿𝑞 + 𝛿𝑙𝑤 𝑑𝑢 + 𝑝𝑑𝑣 = 𝑇𝑑𝑠

Calore scambiato con l'esterno e dissipazioni interne al fluido hanno lo stesso effetto sul sistema .

Entalpia ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣

Definizione:

La funzione di stato entalpia è molto importante dato che include informazion...