Mechanical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

Full exam

Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 20 22 -23 | 20 -01 -202 3 Parte A 1 Nella stessa macchina idraulica, due condizioni non saranno mai in similitudine se: A) Hanno lo stesso rendimento B) Hanno prevalenze e portate diverse C) Hanno la stessa velocità d i rotazione D) La prima condizione elabora una portata di fluido pari alla metà della seconda 2 In una macchina operatrice assiale, quale relazione esiste tra gli angoli della velocità relativa ������� e ������� e i suoi moduli ������ � e ������ � in ingresso e uscita rispetto alla direzione assiale? A) |������2|> |������1| , |������2|> |������1| B) |������2|< |������1| , |������2|< |������1| C) |������2|> |������1| , |������2|< |������1| D) |������2|< |������1| , |������2|> |������1| 3 Quale dei seguenti impianti di pompaggio presenta i minori rischi di cavitazione? 4 In un ugello convergente -divergente, fissata la pressione totale a monte �������, al ridursi della pressione a valle �������, nella sezione di gola: A) Nel momento in cui si verificano condizioni di blocco sonico, la pressione statica ������������ è indipendente da ������0 e ������1 B) La pressione statica ������������ continua a ridursi mantenendosi però ad un valore sempre più elevato di ������1 C) La pressione statica ������������ continua a ridursi mantenendosi però ad un valore sempre più basso di ������1 D) La pressione statica ������������ si riduce sino al raggiungimento delle condiz ioni di blocco sonico e poi resta costante (A) (B) (C) (D) Cognome e Nome Matricola 5 Il rendimento di un ciclo semplice e reale di turbina a gas: A) Esiste un valore di temperatura massima del ciclo ������3 che consente, a pari rapporto di compressione, di superare il rendimento del ciclo ideale B) A pari rapporto di compressione, è sempre inferiore a quello del ciclo ideale C) Tende al valore del ciclo ideale per rapporti di compressione molto elevati D) Nessuna delle risposte precedenti 6 Il fenomeno dello stallo: A) Limita il campo di funzionamento dei compressori alle alte portate B) Nelle turbine limita il rapporto di espansione ottenibile sul singolo stadio C) E’ legato al fenomeno del blocco sonico D) È un fenomeno di instabilità locale che si può innescare al ridursi della portata 7 Nelle turbine assiali, gli stadi ad azione: A) Presentano un rendimento più alto di quelli a reazione a parità di velocità periferica B) Vengono generalmente posti in coda alla macchina C) Possono essere parzializzati per regolare la macchina D) Sono caratterizzati da uguale salto di pressione a cavallo del rotore e dello statore 8 Per un compressore radiale: A) Una configurazione centrifuga permette di massimizzare il lavoro B) Una configurazione centripeta permette di massimizzare il rendimento C) Il fenomeno dello stallo limita il rapporto di compressione a valori molto bassi D) Nessuna delle precedenti 9 Il degasatore: A) Negli impianti di pompaggio permette di ridurre il rischio di cavitazione B) E’ sempre presente negli impianti a ciclo Rankine rigenerativi C) Non può essere impiegato come scambiatore a miscela nei cicli Rankine D) Nessuna delle precedenti 10 La pressione totale nel sistema relativo: A) In uno stadio di compressore aumenta a cavallo del rotore B) In uno stadio di turbina diminuisce a cavallo dello statore C) In uno stadio ideale diminuisce a cavallo del rotore D) In assenza di perdite è costante a cavallo del rotore Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 202 2-23 | 20 -01-202 3 Parte B Esercizio 1 (8 punti) Si deve progettare un impianto di ventilazione per garantire il raffrescamento di un locale tecnico nel quale è installato un gruppo motogeneratore (Figura 1). Il gruppo motogeneratore è costituito da un motore a combustione interna (M) e da un alternatore (A) che, nelle condizioni di funzionamento nominali dissipano per convezione / irraggiamento una potenza termica P th pari a 50 kW ne ll’ambiente circostante. Il circuito di ventilazione aspira aria fresca dall’ambiente esterno (0), grazie a un gruppo di due ventilatori (V) montati in parallelo, e la convoglia, tramite una tubazione, all’interno del locale. La tubazione è costituita da u n primo ramo (T1) che si dirama successivamente in due rami (T2A e T2B) che terminano con delle bocchette (BA e BB) vicino al motore e all’alternatore. Una apertura (C) permette infine il deflusso dell’aria dal locale all’ambiente esterno. Figura 1 - Schema impianto ventilazione Si considerino i seguenti dati: • Tubazione, ramo principale: diametro �������1= 600 mm , lunghezza ������������1= 4000 mm , coefficiente di perdita distribuita ������������1= 0.03 , perdite concentrate trascurabili; • Tubazione, rami secondari: diametro �������2�= �������2�= 400 mm , lunghezza ������������2�= ������������2�= 2000 mm , coefficiente di perdita distribuita ������������2�= ������������2�= 0.03 , perdite concentrate trascurabili; • Bocchette terminali: diametro ��� = ��� = 350 mm , coefficiente di perdita concentrata �������1�= �������1�= 0.3; • Perdita di carico attraverso l’apertura C: trascurabile. • Condizioni ambiente (0): ������0= 30° �, ������0= 101325 ������� , ������������ ������������������� = 1004 J/(kg K), ��������������������∗ = 287 .1 J/(kg K). Si chiede di determinare: 1. Considerando una portata di aria di ventilazione pari a � = 5 m3/s : prevalenza richiesta dall’impianto, potenza elettrica assorbita dal motore del ventilatore, temperatura dell’aria in uscita dalle bocchette (B) e dal locale (C) (si consideri: rendimento i draulico ������������= 0.7, rendimento organico ������������������� = 0.8, rendimento elettrico ������������� = 0.9). (3.5 punti) 2. Considerando due ventilatori montati in parallelo: diametro medio del singolo ventilatore e numero di giri (si consideri: ventilatore assiale con �������= 3 e ��= 1.4 ). (1.5 punti) 3. Triangoli di velocità calcolati sul diametro medio in ingresso e in uscita (si consideri: rapporto tra altezza di pala e diametro medio ℎ/�� = 0.5 ). (3 punti) Cognome e Nome Matricola Esercizio 2 (8 punti) Una turbina a gas naturale in assetto “ mechanical -drive ” viene impiegata per comprimere idrogeno secondo lo schema dell’impianto illustrato nella f igura sotto. La turbina è suddivisa in due parti: gli stadi di alta pressione (AP) è trascina il compressore assiale di aria (C), mentre quelli di bassa pressione (BP) muovono il compressore di idrogeno (L). I principali dati dell’impianto sono: - Rapporto di compressione ciclo a gas: 20 - Temperatura di ingresso in turbina: 1500 K - Rapporto di compressione compressore di idrogeno: 2 - Portata di gas naturale: 1 kg/s - Coefficienti pneumatici (aspirazione, combustore, scarico): 0.9 6 - Nessuna perdita nel tratto 4 -5 - Rendimenti meccanici compressore C e turbine AP e BP: 0.96 - Rendimento isoentropico compressore C : 0.95 - Rendimento isoentropico turbina AP: 0.92 - Rendimento isoentropico turbina BP : 0. 95 - Rendimento del combustore: 0.95 Si richiede di calcolare: 1. I punti del ciclo di turbina a gas e il rapporto aria -combustibile (4 punti); 2. Il rendimento globale del ciclo a gas (2.5 punti); 3. Il numero di stadi del compressore C assiale, ipotizzando che ogn uno di essi abbia rapporto di compressione pari a 1.2 (1.5 punto); Dati aggiuntivi per lo svolgimento dell’esercizio: - Rapporto calori specifici, trasformazioni 1 -2, 2 -3: k = 1.4 - Rapporto calori specifici, trasformazioni 3 -4, 5 -6: k = 1.35 - Rapporto tra i c alori specifici idrogeno: k = 1.67 - Massa molecolare aria: 28.8 kg/kmol - Massa molecolare gas combusti: 28.6 kg/kmol - Condizioni ambiente (1): T amb = 25°C, p amb = 0.1 MPa - Potere calorifico inferiore del gas naturale: 48 MJ/kg - Costante universale dei gas: 8314 J/kgK C A P BP L 1 2 3 4 5 6 A B Cognome e Nome Matricola Esame di “Macchine e Sistemi Energetici” – Ingegneria Meccanica AA 202 2-23 | 20 -01 -202 3 Parte C Domanda 1 (5.5 punti) Pompe centrifughe : - Disegnare la configurazione di una pompa centrifuga (girante e voluta) con pale all’indietro nelle sue viste frontali e laterali ; - Disegnare i triangoli delle velocità e dimostrare il legame tra portata e prevalenza per una configurazione ideale e una reale ; - Utilizzando i coefficienti adimensionali, spiegare perché è una macchina “lenta” . Domanda 2 (5.5 pu nti) Compressori : - Si rappresenti sul diagramma h -s il processo di compressione attraverso un tipico stadio, evidenziando le grandezze statiche e totali a cavallo di rotore e statore. - Si definiscano i rendimenti totale -totale e totale -statico e si discutano i casi tipici di applicazione delle due diverse definizioni. - Si spieghi perché i compressori assiali sono tipicamente caratterizzati da un numero elevato di stadi.