Elementi di Ingegneria dei Sistemi PDF

Università degli Studi di Udine Libera Università di Bolzano Dip. Scienze Agroalimentari, Ambientali e Facoltà di Scienze e Tecnologie Animali - DI4A Elementi di Ingegneria dei Sistemi per l’analisi di Macchine e Impianti Corso di Laurea in Sci...

Università degli Studi di Udine Libera Università di Bolzano Dip. Scienze Agroalimentari, Ambientali e Facoltà di Scienze e Tecnologie Animali - DI4A Elementi di Ingegneria dei Sistemi per l’analisi di Macchine e Impianti 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]) Il concetto di “sistema” Alcune definizioni: Idee e domande: Unità fisica e funzionale, costituita da più parti interagenti (od in relazione funzionale) tra C’è un’interazione di più loro (e con altri sistemi), parti per uno scopo comune formando un tutt'uno nel quale ogni parte dà un contributo per una finalità comune Chi è fuori e chi è dentro? Insieme di entità connesse tra di loro tramite reciproche relazioni C’è la trasformazione di visibili o definite dal suo un ingresso in un’uscita osservatore Come quantificare Ente che risponde ad una azione, la bontà di questa esercitata tramite un ingresso, trasformazione? con una reazione, detta uscita 2  Sistema termodinamico Porzione di spazio materiale, separata dal resto dell'universo termodinamico (ovvero dall'ambiente esterno) mediante una superficie di controllo (o confine) reale o immaginaria, rigida o deformabile Può scambiare materia ed energia con l’esterno La superficie di controllo (anche detta confine, o parete) è quell'entità, materiale o puramente geometrica, rigida o deformabile, fissa o mobile, che separa il sistema dall'ambiente esterno 3 Il rendimento (termodinamico) di un sistema Anche detto efficienza  Eout = L termodinamica, quantifica Output  Ein Qass l'efficienza in una η= = conversione di energia in un Input  Pout ciclo diretto (m. motrice)  Pin È il rapporto tra il lavoro η Qass L compiuto da parte del sistema e l'energia fornita al sistema (o tra la potenza uscente e quella entrante nel Qdiss sistema) η È un numero puro al più Pin Pout uguale ad 1 (nei sistemi ideali – cicli reversibili - che scambiano tra due sole 4 sorgenti; teo. di Carnot) Pdiss  Altri tipi di rendimenti che si possono incontrare nelle macchine (1/2) Rendimento meccanico od organico: efficienza con la quale i componenti meccanici scorrono/rotolano tra di loro senza perdere energia (→ attriti) Rendimento idraulico: quantificazione della capacità della macchina idraulica di trasferire energia verso o dal fluido elaborato, dipendente dalle resistenze incontrate dal fluido nel suo scorrere e dall’energia non convertita allo scarico (→ fluidodinamica, geometria) 5 http://web.tiscali.it/smsverdi/energia/turbina.htm Altri tipi di rendimenti che si possono incontrare nelle macchine (2/2) "Rendimento" volumetrico (di un motore): quantificazione della completezza del riempimento effettivo di un cilindro rispetto ai valori teorici (→ fluidodinamica, geometria) "Rendimento" volumetrico (di una macchina idraulica): quantificazione della bontà delle tenute idrauliche e quindi dell’ammontare di liquido elaborato nella http://www.bcit.it/ita/bvpresit.html macchina (→ tenute) Il rendimento volumetrico è anche detto "efficienza volumetrica", a sottolineare che è un rapporto tra volumi (NB: non è un rendimento nel vero senso del termine)  Schematizzazione della realtà tramite sistemi - vantaggi Suddividere un sistema reale (complesso) in più sotto sistemi (più semplici) a scelta dell’osservatore aiuta a: – Capire meglio le mutue interazioni – Individuare i flussi (di materia ed energia) – Individuare criticità e possibilità di miglioramento – Predisporre un’analisi matematica del comportamento (statico, dinamico) del sistema globale 7 Indagine della realtà tramite un approccio sistemico - procedimento Step applicativi (2): 1. schematizzazione – Individuazione superfici di controllo / isolamento dei singoli sistemi – Individuazione input e output (materia ed energia che attraversano le frontiere) 2. calcolo – Attribuzione o calcolo dei rendimenti dei singoli sistemi – Calcolo del rendimento del sistema complessivo 8 Il rendimento di due sistemi in serie Sistemi in serie: l’uscita del sistema a monte è l’ingresso del sistema a valle Il rendimento complessivo (del sistema equivalente) è il prodotto dei rendimenti dei singoli sistemi η1 η2 P1,in P1,out = P2,in P2,out S1 S2 S eq = S 1 ⊕ S 2 ⊕... ⊕ S n Seq n η tot = η 1 ⋅ η 2 ⋅... ⋅ η n = ∏η i =1 i 9 Es.: sistemi in serie in una macchina motrice Trattrice con trasmissione puramente idrostatica Osservando il flusso dal motore alle ruote della potenza sviluppata dalla combustione del carburante, ciascun elemento è un sottosistema caratterizzabile con il suo rendimento: 1. Motore → ηm 2. Trasmissione (parastrappo, alberi, gruppo idrostatico, differenziale, semiassi, riduzione finale) → ηt 3. Ruote su strada (cerchio, pneumatico, suolo) → ηr 10 Il rendimento di due sistemi in parallelo (1/3) Sistemi in parallelo: sistemi alimentati dallo stesso input e/o i cui output confluiscono Il rendimento complessivo è la media pesata dei rendimenti dei singoli sistemi S eq = S1 // S 2 P1,in η1 P1,out P1,inη1 + P2,inη 2 ηtot = S1 P1,in + P2,in Ptot,in Ptot,out P2,in η2 P2,out S2 S eq = S1 // S 2 //...S n ηtot = ∑P η i i ,in i Seq ∑P i i ,in 11 Il rendimento di due sistemi in parallelo (2/3) Talvolta la suddivisione della potenza nei diversi rami del parallelo è data direttamente in percentuale sulla potenza a monte della biforcazione anziché in termini assoluti → le formule in questo caso si semplificano ulteriormente (%)1,in η1 S eq = S1 // S 2 S1 ηtot = (% )1,inη1 + (% )2,inη 2 Ptot,in Ptot,out (%)2,in η2 S2 S eq = S1 // S 2 //...S n ηtot = ∑i (% )i ,inηi Seq 12 Il rendimento di due sistemi in parallelo (3/3) ηtot Il rendimento del sistema equivalente al parallelo di due η2 sottosistemi segue una legge lineare (η1+η2)/2 Il rendimento del η1 sistema complessivo in un punto P2,in intermedio di = (% )2,in funzionamento Ptot ,in (=ripartizione qualsivoglia dei flussi 0 50 100 di potenza) segue la S1 S1 S1 regola del miscelamento di S2 S2 S2 due componenti Tutta la potenza La potenza Tutta la potenza transita su S1 transita in egual transita su S2 13 misura su S1 e S2 Es.: sistemi in parallelo in una macchina motrice Trasmissione idromeccanica In una trasmissione idromeccanica la potenza fluisce attraverso due rami paralleli: gruppo idrostatico → ηid ramo meccanico → ηm È presente un riduttore epicicloidale che riunisce la potenza trasmessa attraverso i due sottosistemi 14  Alcuni esempi di sistemi in serie e in parallelo Vtotale = V1+V2 Itotale = I1+I2 http://green-earth-avellino.blogspot.com/p/blog-page_5.html https://www.asvstubbe.it/blog/dimensionamento-e-accoppiamento-di-pompe-centrifughe-in-serie/ 15 http://www.webalice.it/donatodichicco/scuola/Terze/Corrente%20elettrica/Collegamenti%20serie-parallelo.htm Calcolo del rendimento di più sistemi variamente interfacciati tra loro (1/5) Individuare nello schema complessivo i sistemi in parallelo e in serie e applicare passo dopo passo le formule viste S eq = [S1 // (S 2 ⊕ S3 )] ⊕ S 4 S1 S4 S2 S3 Seq 16  Calcolo del rendimento di più sistemi variamente interfacciati tra loro (2/5) Individuare nello schema complessivo i sistemi in parallelo e in serie e applicare passo dopo passo le formule viste S 5 = S 2 ⊕ S 3 ⇒ η 5 = η 2 ⋅η 3 S eq = [S1 // (S 2 ⊕ S3 )] ⊕ S 4 = [S1 // S5 ] ⊕ S 4 S1 S4 S2 S3 S5 17 Calcolo del rendimento di più sistemi variamente interfacciati tra loro (3/5) Individuare nello schema complessivo i sistemi in parallelo e in serie e applicare passo dopo passo le formule viste η1 + η5 S 6 = S1 // S5 ⇒ η 6 = 2 S eq = [S1 // S5 ] ⊕ S 4 = S 6 ⊕ S 4 S1 Suddivisione potenza: 50%, 50% S4 S5 S6 18  Calcolo del rendimento di più sistemi variamente interfacciati tra loro (4/5) Individuare nello schema complessivo i sistemi in parallelo e in serie e applicare passo dopo passo le formule viste S 7 = S 6 ⊕ S 4 ⇒ η 7 = η 6 ⋅η 4 S eq = S 6 ⊕ S 4 = S 7 S6 S4 S7 19 Calcolo del rendimento di più sistemi variamente interfacciati tra loro (5/5) Individuare nello schema complessivo i sistemi in parallelo e in serie e applicare passo dopo passo le formule viste η1 + η5 η1 + η 2η3 η1η 4 + η 2η3η 4 ηtot = η 7 = η 6 ⋅η 4 = ⋅η 4 = ⋅η 4 = Formula risolutiva 2 2 2 S7 20  Esempio di sistemi meccanici semplici con configurazioni in serie-parallelo: le molle Tipologie di molle Le tipologie più usate sono: barra di torsione molla ad elica cilindrica (per compressione e per torsione) molla a spirale piana balestra molla a disco o a tazza 22  Configurazioni in serie e in parallelo delle molle Parallelo: aumento della rigidezza del sistema k1 k2 Serie: diminuzione della rigidezza del sistema keq , // = k1 + k 2 −1 1 1 keq ,⊕ =  +   k1 k 2  k1 keq , // = 2 ⋅ k  k2 k1 = k 2 = k ⇒  k k  eq , ⊕ =  2 23 Molle a tazza o Belleville Molla singola Molle in serie Molle in parallelo Combinazione di molle a tazza con diverse rigidezze Vanno in battuta in maniera sequenziale (una dopo l'altra) 24 http://www.gandini.it/www/molletazza_bauer/index.cfm?fuseaction=doctec&td=15&ctg=10&languageid=it  Non linearità dei sistemi elastici a molle Consistono nello scostamento del grafico F=F(∆ℓ) da quello lineare (retta): sistemi softening o stiffening Possono derivare: – Da non linearità del materiale del mezzo elastico – Da non linearità del sistema elastico in sé (es.: molle a passo o sezione non costante) – Da non linearità della legge di schiacciamento di una molla (anche lineare) ad opera di cinematismi più o meno complessi Legge di schiacciamento incrementale Mezzo elastico Molla a rigidezza 25 non lineare variabile