Mechanical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

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Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 20 21 -22 | 21 -1-202 2 Allegati A1) Diagramma di Balje per i compressori Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 20 21 -22 | 21 -1-202 2 Part e B Esercizio 1 (8 punti) Si deve progettare una pompa “idrovora” , che viene impiegata in agricoltura per l’irrigazione dei campi. Questo tipo di pompa viene montata sui sollevatori idraulici del trattore e viene azionata meccani camente tramite la sua presa di potenza (vedi Figura 1a ): durante il funzionamento la pompa si trova immersa nel corso d’acqua e scarica la portata attraverso un tubo di mandata . Lo schema di impianto è rappresentato in Figura 1b . Figura 1. Esempio di pompa “idrovora”: a) la pompa azionata dalla presa di potenza del trattore si trova immersa nel corso d’acqua e scarica la portata attraverso il tubo di mandata; b) schema di impianto. Sono dati i seguenti dati di pr ogetto: • Condizioni operative nominali : dislivello geodetico z2-z1 = 2.3 m , portata Q = 215 l/s. • Tubazione di mandata: diametro D = 200 mm , lunghezza L = 4.5 m , coefficiente di perdite distribuite λ = 0.01 5 (moto assolutamente turbolento), 1 curva con coefficiente di perdite concentrate ξ = 2. • Pompa : configurazione centrifuga con ingresso radiale , velocità di rotazione n = 540 g/min , ottimizzata in condizioni nominali , condizioni di ottimizzazione descritte da D s = 2.4 / ωs (linea di Cordier) e η = -1.43 ω s2 +1.69 ω s + 0.34 , rapporto tra altezza di pala e diametro massimo h/D 2 = 0.2 , rapporto tra diametro in ingresso e diametro massimo D 1/D 2 = 0.5. Si sviluppino i seguenti punti: 1. calcolare la prevalenza richiesta in condizioni nominali (punti 1. 5); 2. determin are il diametro della girante della pompa e il suo rendimento (punti 1.5 ); 3. calcol are il lavoro specifico della pompa e la potenza assorbita (punti 1.5 ); 4. calcol are e rappresentare i triangoli di velocità in ingresso e in uscita e di segn are il profilo di pala (punti 2.5 ); 5. determin are l’incremento di temperatura dell’acqua tra sezione di aspirazione 1 e sezione di uscita del tubo di mandata 2 (punti 1 ). Cognome e Nome Matricola Esercizio 2 (8 punti) La figura a lato mostra un impianto di compressione e di condensazione di gas propano . Un compressore centrifugo (1 -2) aspira propano in condizioni atmosferiche (0.1 MPa, 25°C) e lo comprime. Nello scambiatore 2 -3 il propano viene raffreddato da un flusso di aria e fatto condensare ad una pressione di 2 MPa. Sapendo che: - La portat a elabo rata è pari a 20'000 m 3/h ; - Il compressore ha un rendimento adiabatico pari a 0.8 ed è stato progettato considerando il minimo valore di ������������ possibile con questo valore; - Rendimento organico del compressore pari a 0.9. Si calcoli no : 1) Il diametro del compressore e la sua velocità di rotazione utilizzando il diagramma di Balje allegato 2) La produzione oraria (kg/h) di propano liquido . 3) La potenza meccanica assorbita dal compressore . 4) La portata massica e volumetrica di aria necessaria per raffreddare e condensare il propano all’uscita del compressore, assumendo un comportamento ideale dello scambiatore di calore ed una variazione di temperatura dell’aria nello scambiatore pari a 40°C. 5) Ipotizzando di operare con due co mpressori centrifughi in parallelo ottimizzati, si disegni il nuovo schema di impianto e si stimi la nuova potenza richiesta. Proprietà del propano - Calore specifico gas: c p = 2650 J/kgK - Massa molare: 44 kg/kmol - Calore latente di evaporazione a T = 25° e p = 2 MPa : 268.9 kJ/kg K Proprietà del l’aria - Calore specifico a pressione costante: c p = 1000 J/kg K - Densità in condizioni ambiente: ������ = 1.2 kg/m 3 1 2 3 Serbatoios Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 20 21 -22 | 21 -1-202 2 Part e C Domanda 1 (5.5 punti) Im pianti idroelettrici e turbine idrauliche : - Illustrare le caratteristiche d elle due principali tipologie di impianti idroelettrici : ad accumulo e ad acqua fluente ; - Discutere le tre principali tipologie di turbin a idraulica, riportando i principali campi di utilizzo (in termini di salto motore) e classificandole sulla base della teoria della similitudine ; - Definire il salto motore e discutere i principali fattori che lo influenzano , illustrando le specificità della sua valutazione in relazione alla tipologia di turbina impiegata. Domanda 2 (5.5 punti) Per un ciclo reale semplice di turbina a gas: - Illustrare lo schema di impianto e il ciclo termodinamico sul piano temperatura entropia, evidenziando le principali irreversibilità e perdite di carico; - Discutere la dipendenza del lavoro specifico dal rapporto di compressone e dalla temperatura di ingresso in turbina; - Spiegare la ragione per cui il rendimento del ciclo dipende sia dal rapporto di compressione che dalla temperatura di ingresso in turbina.