Macchine a fluido

Macchine a Fluido: Definizione e Classificazione

• Una macchina a fluido è un oggetto costituito da un insieme di elementi fissi e mobili che interagiscono con un fluido di lavoro (liquido, vapore o gas), realizzando con esso uno scambio energetico.
• Le macchine a fluido possono essere classificate in:
  • Macchine idrauliche: il fluido di lavoro non manifesta la sua comprimibilità.
  • Macchine termiche: la comprimibilità del fluido di lavoro deve essere tenuta in considerazione.
• Le macchine a fluido possono essere anche classificate in:
  • Macchine motrici: trasformano l'energia posseduta dal fluido di lavoro in energia meccanica disponibile all'albero della macchina.
  • Macchine operatrici: utilizzano l'energia meccanica ricevuta da un motore esterno per incrementare l'energia posseduta dal fluido di lavoro.

Macchine a Fluido: Esempi

• Esempi di macchine motrici: turbina Pelton, turbina a vapore, motore a combustione interna.
• Esempi di macchine operatrici: pompa centrifuga, compressore a pistoni.

Parametri di Funzionamento

• Portata smaltita: kg/s o m3/s.
• Potenza ottenuta o immessa: dà idea di dimensioni e costi.
• Lavoro ottenuto o immesso: potenza / portata in massa.
• Numero di giri: insieme a potenza, dà idea del dimensionamento degli org### Il Primo Principio della Termodinamica
• Il Primo Principio della termodinamica può essere riscritto per includere l'effetto delle irreversibilità: 𝛿𝑞 + 𝛿𝑙𝑤 = 𝑑𝑢 + 𝑝 d𝑣
• L'analisi del Primo Principio applicata a sistema chiuso e stazionario (Δ𝑈 = 0) consente di ottenere la relazione: 𝐿 + 𝑄 = Δ𝑈 = 0
• Il rendimento di Primo Principio è espresso dalla formula: 𝜂𝐼 = 𝑄𝑖𝑛/𝐿

Il Secondo Principio della Termodinamica

• Il Secondo Principio stabilisce che è impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea
• Il teorema di Carnot stabilisce che il rendimento massimo di una macchina termica operante tra due sorgenti sia pari a quello della macchina di Carnot
• La funzione di stato entalpia specifica è definita come: ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣

Relazioni Fondamentali della Termodinamica

• La relazione fondamentale tra le grandezze termodinamiche è: 𝛿𝑞 + 𝛿𝑙𝑤 = 𝑑𝑢 + 𝑝 d𝑣
• La relazione di stato per un gas perfetto è: 𝑝 𝑣 = 𝑅 𝑇
• La funzione di stato entalpia specifica è legata alla variazione di entalpia e pressione: 𝑑ℎ = 𝑑𝑢 + 𝑝 d𝑣 + 𝑣 d𝑝

Fluidi di Lavoro

• I fluidi di lavoro possono essere classificati in:
  • Gas perfetti: obbediscono all'equazione di stato 𝑝 𝑣 = 𝑅 𝑇
  • Gas reali: il loro comportamento si scosta da quello descritto dall'equazione di stato dei gas perfetti
  • Liquidi in senso proprio: sono fluidi incomprimibili sia nei confronti delle azioni meccaniche che nei confronti delle variazioni di temperatura
  • Liquidi comprimibili/dilatabili: manifestano una certa comprimibilità e dilatabilità
• Esempi di fluidi di uso corrente nelle macchine:
  • Gas perfetto: aria o gas combusti a moderate temperature
  • Gas reale: vapor d'acqua o gas combusti a temperature particolarmente elevate
  • Liquido in senso proprio: acqua a temperatura ambiente
  • Liquido comprimibile/dilatabile: acqua a 200-300°C

Sistemi Aperti

• Un sistema aperto è un sistema che scambia massa con l'ambiente attraverso la superficie di contorno
• La generica equazione di bilancio per un sistema aperto è: 𝐼 - 𝑈 + 𝐺 = 𝐴
• L'equazione di conservazione della massa è: 𝑚ሶ 1 = 𝑚ሶ 2 = 𝑚ሶ
• L'equazione di conservazione dell'energia è: 𝐴1 𝑉1 = 𝐴2 𝑉2### Equazione di Conservazione dell'Energia
• L'equazione di conservazione dell'energia descrive la variazione dell'energia di un sistema in funzione delle diverse forme di energia (interna, cinetica, potenziale gravitazionale) e delle quantità di calore e lavoro scambiati con l'ambiente.

Formulazione Termica

• L'equazione di conservazione dell'energia in formulazione termica tiene conto degli aspetti termici dello scambio energetico (calore e lavoro) e può essere applicata a sistemi ideali e reali.
• La formulazione termica esplicita la relazione tra le diverse forme di energia (entalpia, energia cinetica, energia potenziale gravitazionale) e le quantità di calore e lavoro scambiati.

Formulazione Meccanica

• L'equazione di conservazione dell'energia in formulazione meccanica esplicita le dissipazioni di lavoro meccanico in calore e può essere applicata solo a sistemi reali.
• La formulazione meccanica tiene conto delle dissipazioni di lavoro meccanico in calore e delle variazioni di energia meccanica del fluido nelle tre forme (cinetica, di pressione e potenziale gravitazionale).

Applicazioni a Casi Tipici

• Scambiatore di calore: l'entalpia varia a causa della potenza termica scambiata.
• Valvola: la valvola riduce la pressione del fluido introducendo delle dissipazioni.
• Turbina: la turbina può essere considerata come adiabatica e la potenza meccanica fornita dal fluido alle pale può essere stimata.
• Compressore: il compressore può essere considerato come adiabatico e la potenza meccanica da fornire al fluido può essere stimata.
• Ugello convergente: la velocità all'uscita può essere calcolata e le dissipazioni per attrito influenzano l'espansione nel convergente.
• Pompa: il lavoro ceduto dalle pale al fluido viene convertito in energia di pressione oppure dissipato in calore incrementando la temperatura del fluido.