Mechanical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

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Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 2018 -19 | 5-2-2019 Allegati Diagramma di Balje per le turbopompe Velocità specifica Diametro specifico Cognome e Nome Matricola Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 2018 -19 | 5-2-2019 Part e A 1) Dato il lavoro d’attrito ������������, la prevalenza ������, le velocità periferiche � e le componenti tangenziali delle velocità assolute �� sulle sezioni di ingresso e uscita 1 e 2, il rendimento di una pompa centrifuga vale : a) ������������= ������ �2�2�− �1�1� b) ������������= ������������ �2�2�− �1�1� c) ������������= �2�2�− �1�1� ������������ + ������������ d) ������������= ������������ − ������������ �2�2�− �1�1� 2) Quale soluzione è la più adatta per fornire un 'alta prevalenza ed un’elevata portata di fluido incomprimibile? a) Una pompa volumetrica b) Due pompe centrifughe in serie c) Una pompa assiale monostadio d) Una pompa assiale multistadio 3) Quale delle condizioni è verificata per due pompe A e B che operano in similitudine, con n A = 2n B e D A=0.5D B? a) QA=2Q B b) QA=Q B/4 c) HA=H B/2 d) HA=2H B 4) Di quale stadio di macchina assiale la figura a destra mostra i triangoli delle velocità? a) Turbina assiale a reazione ottimizzata b) Turbina assiale ad azione ottimizzata c) Turbina assiale ad azione non ottimizzata d) Turbina assiale a reazione non ottimizzata 5) Quale delle seguenti figure riporta l’andamento del lavoro massico in funzione del rapporto di compressione per un ciclo a gas ideale? U W 2 V 2 W 1 V 1 U 1 1 1 1 (a ) (b ) (c ) (d ) Cognome e Nome Matricola 6) Quale delle seguenti figure riporta l’andamento della portata in un ugel lo semplicemente convergente al diminui re della pressione a valle p1 mantenend o inalterata la pressione a monte p0? 7) Che relazione intercorre tra il lavoro di una compressione isoentropica �������, quello di un’adiabatica reale ������������ e il lavoro dissipato ������������? a) ������������= �������− ������������ b) ������������< �������+ ������������ c) ������������> �������+ ������������ d) ������������= �������+ ������������ 8) In un generico stadio di turbina assiale a vapore, durante il processo di espansione a) la temperatura totale a cavallo del rotore rimane costante b) la pressione totale a cavallo del distributore rimane costante c) la temperatura totale nel sistema relativo a cavallo del rotore rimane costante d) l’entalpia totale a cavallo del rotore si conserva 9) In una turbina a vapore multistadio: a) Il rapporto di espansione totale della macchina è pari alla somma dei rapporti di espansione dei singoli stadi b) Gli stadi ad azione sono generalmente posti in coda c) In macchine assiali, l’altezza di pala diminuisce progressivamente da ingresso a uscita d) Il lavoro totale è pari alla somma dei lavori dei singoli stadi 10 ) Un gruppo turbocompressore è cost ituito da turbina e compressore calettati sullo stesso albero. Per massimizzare lo scambio di lavoro tra fluido e palettatura è preferibile adottare : a) Turbina assiale e compressore assiale b) Turbina radiale centrifuga e compressore radiale centripeto c) Cuscinetti a basso attrito per ridurre le dissipazioni d) Turbina radiale centripeta e compressore radiale centrifugo Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 2018 -19 | 5-2-2019 Part e B Esercizio 1 (8 .5 punti) Si deve dimensionare la pompa centrifuga del circuito di raffreddamento di un motore a combustione interna. Il sistema è costituito dai seguenti elementi: a) pompa centrifuga (P) , alloggiata nel basamento motore; b) circuito di raffreddamento del motore (M), costituito da diversi passaggi che raffreddano cilindri e testata; c) serbatoio di compensazione (S), che permette di compensare eventuali variazioni del volume del fluido ; d) radiatore (R) , che realizza il raffreddamento del fluido per effetto dello scambio termico con un flusso d’aria. Sono noti i seguenti dati di progetto per una condizione di funzionamento nominale corrispondente a quella di coppia massima erogata dal motore : - Potenza termica da smaltire nel circuito di raffreddamento: Pth=30 kW - Massimo aumento di temperatura del fluido nel circuito di raffreddamento M : ΔT=4 °C - Coefficiente di perdita di carico nel circuito di raffreddamento M : YM=2∙10 6 s2/m 5 - Coefficiente di perdita di carico nel radiatore: YR=1∙10 6 s2/m 5 - Altre perdite di carico: trascurabili - Pressione nel serbatoio di compensazione S: 1. 6 bar Il fluido di raffreddamento , costituito da una miscela di acqua e glicole etilenico , ha le seguenti caratteristiche: ρ=960 kg/m 3, c L=3530 J/(kg K) . Si conduca la progettazione del sistema sviluppando i seguenti punti: 1. Calcolare la portata di fluido di raffreddamento QP e la prevalenza richiesta alla pompa HP in condizioni nominali. 2. Determinare sul diagramma di Balje il punto di ottimo (ω s, D s) che permetta di massimizzare il rendimento e di minimizzare il diametro della girante della pompa centrifuga. S i stimi il rendimento idraulico η y e si calcolino il numero di giri n e il diametro D 2 della girante. Si valuti inoltre il rapporto di trasmissione n/n motore tra pompa e albero motore, sapendo che in condizioni nominali il motore ruota a nmotore =3000 g iri/min. 3. Si calcoli il triangolo delle velocità allo scarico della girante, noto il rapporto h/D 2 = 0.05 e assumendo assiale il flusso in ingresso girante. 4. Si consideri la condizione in cui il regime del motore è n motore =4 500 g/min. Sulla base del rapporto di trasmissione n/n motore calcolato al punto 2, s i valutino le nuove condizioni di funzionamento della pompa: velocità di rotazione n’, portata Q’ , prevalenza H’ e rendimento idraulico η’ y. Cognome e Nome Matricola Esercizio 2 (8 .5 punti) Un ciclo di turbina a gas è impiegat o in un metanodotto per produrre la potenza meccanica necessaria ad alimentare un compressore che tratta metano . Lo schema di impianto è illustrato nella figura a fianco, dove si nota che la potenza richiesta per la compressione dell’aria nel cicl o Joule è assicurata dalla turbina di alta pressione. I componenti dell’impianto sono : - Compressore d’aria: C - Combus tor e: B - Turbina di alta pressione: TAP - Turbina di bassa pressione: TBP - Compressore di metano: CM I principali dati di funzionamento dell’impianto sono: - Potenza assorbita dal compressore di metano: 10 MW - Rapporto di compressione metano 1.6 , temperatura T M1 = 300 K - Rendimento adiabatico compressore di metano: 0.85, rendimento organico: 0.9 - Rapporto di compressione ciclo a gas p 2/p 1 = 20 - Temperatura di ingresso in turbina T 3 = 1 400 K - Rendimento organico turbine e compressore ciclo a gas: 0.95 - Rendimento adiabatico compressore: 0.9 - Rendimento adiabatico turbin a TAP : 0.85 - Coefficienti pneumatici unitari - Gas combusti: c p/cv = 1.35 , cp = 1130 J/kgK; aria: c p/cv = 1.4 , cp = 1004 J/kgK; meta no: cp/cv = 1. 3, cp = 2000 J/kg K; - Potere calorifico inferiore del combustibile: 40 MJ/kg; efficienza del combustore: 0.85 - Condizioni ambiente : p1=p 5=1 bar; T 1 = 300 K Dete rminare: 1) La portata di metano che circola nel compressore CM 2) Le condizioni termodinamiche del punto 2 e d il rapporto aria -combustibile con il bilancio al combustore (si assuma ������������2,3= ������������,������������������� ) 3) Le condizioni termodinamiche del punto 4, utilizzando un bilancio di energia meccanica all’albero che collega C con TAP - suggerimento: ������������,������= ������������,������������������ ….. 4) Sapendo che la temperatura di uscita dalla TBP è pari a 750 K, calcolare la portata di gas combusti in turbina C TAP TBP CM B Aria Combustibile Gas combusti Metano Metano 1 2 3 4 5 M1 M2 Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 2018 -19 | 5-2-2019 Part e C Domanda 1 (5.5 punti) Cavitazione : 1) Descrive re il fenomeno fisico e gli effetti che il suo insorgere comporta nelle pompe 2) Dimostrare perché la cavitazione in una pompa può essere evitata se NPSH R