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Università degli Studi di Udine Libera Università di Bolzano Dip. Scienze Agroalimentari, Ambientali e Facoltà di Scienze e Tecnologie Animali - DI4A Le macchine Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentar...

Università degli Studi di Udine Libera Università di Bolzano Dip. Scienze Agroalimentari, Ambientali e Facoltà di Scienze e Tecnologie Animali - DI4A Le macchine Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari Corso di Laurea Triennale in Scienze Agrarie, degli Modulo di "Macchine e Impianti per l'Industria Alimenti e dell'Ambiente montano Alimentare" (AG1314) Modulo di "Macchine, Impianti e Logistica per Corso di Laurea in Viticoltura ed Enologia l'industria agroalimentare" (40205B) Modulo di "Macchine e Impianti Enologici" (AG1016) "Macchine e Sistemi Produttivi per l'Industria Agroalimentare" (43081) Docente: Ing. Marco Bietresato ([email protected]) Etimologia La parola "macchina" deriva dal termine latino machina, che a sua volta deriva dal greco µηχανή (mekhane), che significa congegno o motore e che a sua volta deriva dalla parola µῆχος (mekhos), espediente, rimedio Table of Mechanicks, from Ephraim Chambers (1728) Cyclopaedia, A Useful Dictionary of Arts 2 and Sciences, Vol. 2, London, p.528  Il concetto classico e rinascimentale di “macchina” Congegno meccanico ideato per compiere un lavoro che potenzia quello che può svolgere l'uomo con le sue forze, coadiuvandolo o eseguendo in toto alcune attività Storicamente una macchina ha sempre compreso almeno un dispositivo di trasmissione della potenza composto da organi in movimento Notare: “congegno meccanico” che “compie lavoro” in aiuto o 3 sostituzione di quello umano Georg Bauer. De Re Metallica (1556) libri XII Il concetto moderno di “macchina” (1/2) Una macchina è un dispositivo (o sistema) che trasforma l'energia fornitale in ingresso in una forma diversa, resa disponibile in uscita; una delle due forme di energia è di tipo meccanico Dalla natura meccanica dell’energia (utilizzata/prodotta) Macchina utilizzata per arrotolare le discende la necessità della sigarette; James Albert Bonsack, 1880 presenza di almeno un organo mobile 4  Il concetto moderno di “macchina” (2/2) Componente di un impianto più complesso che generalmente svolge una specifica funzione (es. applica una forza, pompaggio di un fluido, trasferimento di calore) Insieme di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro, dotati di azionatori, circuiti di comando e connessi solidalmente allo scopo di adempiere un'azione ben determinata, capace di compiere lavoro attraverso una forza di natura diversa da quella degli animali, determinando o potenziando le capacità umane (ad eccezione delle macchine semplici) Definizione estesa (riportata per completezza): Storicamente, un dispositivo necessiterebbe di parti in movimento per potersi classificare come una macchina, ma l'avvento dell’elettronica ha portato allo sviluppo di dispositivi senza parti in movimento che sono classificabili come macchine intese però come dispositivi che utilizzano dell’energia per svolgere 5 un qualche compito (es.: computer) Impianto vs. Macchina vs. Sistema Impianto/Macrosistema: struttura artificiale fissa costruita per scopi Es.: impianto di Es.: impianto Impianto complessi (/soddisfare bisogni) essiccazione per frenante di un http://www.nipponpower.com.mx/foro/showthread.php?41305-El-sistema-de-frenado cereali veicolo Macchina: insieme di componenti collegati tra loro e connessi Es.: generatore Es.: gruppo frenante solidalmente (di cui almeno uno termico di un di una singola mobile), capace di compiere lavoro impianto di ruota (disco, pinza (def. Tecnologica); convertitori di essiccazione freno, pistoni, energia in lavoro meccanico o (sistema di pastiglie) viceversa (def. Termodinamica) generazione dell’aria calda) Sistema/Sottosistema: parte di impianto preposta allo svolgimento di Es.: ventilatore per Es.: pistoncini per la Macchina un determinato scopo (def. l’immissione pinzatura del disco Tecnologica); porzione di spazio in cui dell’aria di si concentra l’attenzione, sede di combustione nel alcuni fenomeni chimici/fisici (def. generatore Termodinamica) 6  Macchina semplice Dispositivo che modifica la direzione, l’intensità o la velocità di applicazione di una forza idealmente senza consumare energia: infatti, ignorando l’attrito e l’elasticità, l’energia in output è uguale a quella in input È chiamata così perché non si può scomporre in macchine ancora più elementari Combinando insieme le macchine semplici, si hanno le macchine complesse Dal punto di vista storico e della fisica, rappresentano le tecnologie più antiche per potenziare la forza muscolare, attraverso il principio del guadagno meccanico Fresistente Gm = 7 Fmotrice Studio di alcune macchine semplici (1/2) http://wwwnew.splinder.com/mediablog/ProfeGM/album/218431/200 Verricello ad ingranaggi o a tamburo Carrucola fissa e mobile Vite 8 Paranco differenziale e composito autofilettante  Studio di alcune macchine semplici (2/2) Cuneo Leva Leva di I genere Leva di II genere Leva di III genere 9 http://wwwnew.splinder.com/mediablog/ProfeGM/album/218431/216 Organizzazione strutturale di una macchina (complessa) Una macchina si compone fondamentalmente di https://www.vekamaf.com/wp-content/uploads/2015/07/HKV-200_fro_op_2005_50823.jpg due parti: http://cpp.industrie.de/allgemein/without-additional-peripheral-devices/#slider-intro-3 1. la struttura portante (il corpo principale della macchina), che spesso le conferisce l'aspetto 2. gli organi meccanici (ruote dentate, meccanismi, supporti, alberi, motore, cuscinetti, giunti, ecc.), montati sulla struttura Miscelatrice Impastatrice verticale 10  Tipologie di macchine OUTPUT M. MOTRICI Altre fonti Energia (o motori): di energia meccanica trasformano in energia meccanica (output) altre M.M. forme di energia M. OPERATRICI INPUT (o utilizzatrici): Energia Altre fonti meccanica di energia trasformano l'energia meccanica (input) in lavoro utile o in un’altra forma di M.O. energia 11 Esempi di classificazione delle macchine – macchine motrici Motore elettrico a Turbina idraulica Motore a combustione corrente continua interna En. Elettrica En. di pressione En. Chimica → En. Meccanica → En. Meccanica → En. Meccanica http://www.carpfishingonline.eu/ http://www.territorioscuola.com/ http://web.tiscalinet.it/acciarriparide/12 attrezzatura/motore_elettrico.html wikipedia/?title=Energia_idroelettrica evoluzione%20del%20motore.htm  Esempi di classificazione delle macchine – macchine operatrici Dinamo Ventilatore a flusso Pompa idraulica radiale rotodinamica centrifuga En. Meccanica En. Meccanica En. Meccanica → En. Elettrica in c.c. → En. Cinetica aria → En. di pressione http://www.wisphysics.es/2008/09/ http://www.faet.it/detsoln.asp? http://www.gvpcsalzano.it/ imanes-de-nuestro-dia-a-dia-ii nsol=13&nsoln=45&h=2 argomenti/febbraio.htm 13 Prestazioni delle macchine Parametri di scelta delle macchine: – Qualità del lavoro in grado di svolgere Caratteristiche di ciascuna macchina – Facilità di controllo/impostazione/guida – Capacità di lavoro Possibilità di fornire delle indicazioni generali applicabili a tutte le macchine 14 Quale taglia? Quale tipo?  Efficienza di una m. termica a ciclo diretto (m. motrice termica) Si misura con il rapporto: effetto utile perdite effetto utile / spesa energetica η= = 1− spesa energetica sp. en. Per una macchina a ciclo diretto si chiama RENDIMENTO, dato dal rapporto tra output desiderato (W) / input energetico (QH) COLD HOT M.M. Si abbia una macchina che trasforma una determinata quantità di calore (energia termica) in lavoro meccanico (effetto utile) → un motore W Q − QC Q η = = H = 1− C Il flusso del calore è quello che QH QH QH spontaneamente si instaurerebbe senza la macchina (da TH>TC a TC) Efficienza di una m. termica a ciclo inverso (m. operatrice termica) Si misura con il rapporto: effetto utile effetto utile / spesa energetica COP = Per una macchina a ciclo inverso si chiama spesa energetica COEFFICIENTE DI EFFETTO UTILE, dato dal rapporto tra energia movimentata (QH o QC) / input (W) COLD HOT Si abbia una macchina che utilizza del lavoro meccanico per muovere dell'energia termica M.O. (→ QC per un frigorifero o QH per una pompa di calore) Il flusso del calore è opposto a quello che spontaneamente si instaurerebbe senza la macchina (da TC a TH>TC) QC Q −W Q COPf = = H = H − 1 = COPpc − 1 W W W Q Q +W Q COPpc = H = C = C + 1 = COPf + 1 W W W  Efficienze di rif. per le macchine termiche: il teorema di Carnot Tutte le macchine reversibili che lavorano tra le stesse due isotermiche e sorgenti alle temperature TH e due adiabatiche TC hanno rendimento uguale, indipendentemente dal tipo di sostanza utilizzata In particolare, una macchina Ciclo diretto che lavora secondo il ciclo di Carnot può avere il rendimento W QH − QC Carnot TH − TC T o il COP espresso in termini di η = = = = 1− C temperature QH QH TH TH Le macchine che lavorano con Ciclo inverso cicli reversibili (ma con più di QC QC Carnot TC due sorgenti) oppure con cicli COPf = = = irreversibili hanno un W QH − QC TH − TC rendimento minore di quello della macchina di Carnot (t. Carnot generalizzato) QH QH Carnot TH COPpc = = = W QH − QC TH − TC http://www.science.unitn.it/~fisica1/fisica1/appunti/sparsi/carnot/carnot/ Aumentare il rendimento di una macchina termica a ciclo diretto Riduzione delle irreversibilità: implica generalmente un miglioramento tecnologico della macchina Aumento della temperatura superiore del ciclo: implica un miglioramento dei materiali di cui sono costituite le pareti della macchina, o l’introduzione di sistemi di raffreddamento Diminuzione della temperatura inferiore del ciclo: non praticabile se W QH − QC Carnot TH − TC T le macchine termiche cedono calore η = = = = 1− C all’ambiente QH QH TH TH 18  Aumentare il rendimento di una macchina termica a ciclo inverso Riduzione delle irreversibilità: QC QC Carnot TC COPf = = = implica generalmente un W QH − QC TH − TC miglioramento tecnologico della macchina In generale: evitare differenze di temperatura troppo grandi tra le due sorgenti di calore (il COP tende a zero per ∆T molto grandi) QH QH Carnot TH Macchine frigorifere: non lavorare COPpc = = = a temperature troppo basse W QH − QC TH − TC Pompe di calore: non chiedere grandi innalzamenti di temperatura Complementi La Direttiva Macchine 20  La Direttiva Macchine (1998/37/CE) Insieme di regole definito dall'unione europea rivolto ai costruttori di macchine al fine di garantire l'immissione nel mercato di prodotti sicuri per l'utilizzatore Definisce i requisiti essenziali in materia di sicurezza e di salute pubblica ai quali devono rispondere i prodotti indicati in occasione della loro fabbricazione e prima della loro immissione sul mercato Si applica ai seguenti prodotti: – macchine; – attrezzature intercambiabili; – componenti di sicurezza; – accessori di sollevamento; – catene, funi e cinghie; – dispositivi amovibili di trasmissione meccanica; – quasi-macchine (sistemi unicamente destinati ad essere incorporati o assemblati ad altre macchine o ad altre quasi-macchine o apparecchi per costituire una macchina; es. un sistema di azionamento) Aggiornamento: Direttiva 2006/42/CE del 17 maggio 2006, entrata in vigore in tutta Europa il 29 dicembre 2009 e recepita ed attuata per l'Italia mediante il Decreto Legislativo 27 gennaio 2010 , n. 17 (pubblicazione del 19-2-2010 Supplemento ordinario n. 36/L alla GAZZETTA UFFICIALE Serie generale - n. 41); sostituisce la direttiva macchine originaria, che si riferiva a tutti i tipi di macchinario e ai loro componenti di sicurezza messi 21 isolatamente sul mercato Segnali indicatori per la prevenzione degli infortuni Introdotti dalla Direttiva Macchine (direttiva 98/37/CE del Parlamento europeo, pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale L 331 del 07.12.1998) e regolamentati a livello comunitario 5 gruppi: – Divieto – Avvertimento – Prescrizione (= obbligo) – Salvataggio – Antincendio Per approfondimenti: vedere siti e pubblicazioni dell’ISPESL (Istituto Superiore Prevenzione e Sicurezza sul Lavoro) e dell’ENAMA (Ente Nazionale per la Meccanizzazione Agricola) 22  Bibliografia di riferimento 23 Bibliografia di riferimento Paranchi e argani A. Monte, Elementi di Impianti Industriali, vol. 1, ed. Libreria Cortina, cap. 16 Carriponte A. Monte, Elementi di Impianti Industriali, vol. 1, ed. Libreria Cortina, cap. 17 Gru A. Monte, Elementi di Impianti Industriali, vol. 1, ed. Libreria Cortina, cap. 18, 19 24