Chemical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

Full exam

Cognome e Nome............................................................................................ Matricola........................................ ............................................................................................................................. .................................................................................. Riportate qui sotto le vostre risposte e ritagliate questa parte che potrete utilizzare per l’autocorrezione 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Corso d i Laurea in Ingegneria Chimica , esame di “Macchine e Sistemi Energetici”, 21 Gennaio 2019 – Parte A 1) In una pompa centrifuga con pale all’indietro, la componente tangenziale ������������������ della velocità assoluta allo scarico della girante: a) E’ negativa b) E’ positiva c) Può essere sia positiva che negativa d) E’ nulla 2) Il rendimento isoentropico di una turbina termica (0=sezione ingresso, 2 =sezione scarico , ℎ= entalpia specifica) è: ������= ℎ0− ℎ2 ℎ0− ℎ2,������������ ������= ℎ0− ℎ2,������������ ℎ0− ℎ2 ������= ℎ2− ℎ2,������������ ℎ0− ℎ2,������������ ������= ℎ2,������������− ℎ2 ℎ0− ℎ2 a) b) c) d) 3) In un turbogas in ciclo aperto reale, il rendimento: a) Dipende solo dal rapporto di compressione del ciclo b) Dipende solo della temperatura massima del ciclo c) Dipende da rapporto di compressione e temperatura massima del ciclo ma non dai rendimenti di turbina e compressore d) Dipende da rapporto di compressione e temperatura massima del ciclo e anche dai rendimenti turbina e compressore 4) Per una pompa il rischio di cavitazione aumenta : a) Diminuendo le perdite di carico sul ramo di aspirazione b) Installando la pompa sotto battente c) Incrementando le perdite di carico sul ramo di aspirazione d) Nessuna delle precedenti risposte 5) Un valore ragionevole per il rendimento di un ciclo Rankine a vapor d’acqua �: a) 0.15 b) 0.7 5 c) 0.45 d) 0.90 6) Nell’espansione isoentropica di un gas perfetto , la densit�: a) Aumenta b) Diminuisce c) Pu� sia aumentare che diminuire d) Resta costante 7) La prevalenza di una turbo -pompa rappresenta: a) Il lavoro euleriano b) Il lavoro dissipato per attrito c) Il lavoro euleriano solo se la turbo -pompa � centrifuga d) Il lavoro meccanico scambiato tra fluido e macchina solo nel caso ideale (assenza di attriti) Cognome e Nome............................................................................................ Matricola........................................ ............................................................................................................................. .................................................................................. Riportate qui sotto le vostre risposte e ritagliate questa parte che potrete utilizzare per l’autocorrezione 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8) Due pompe centrifughe sono collocate in un circuito dove operano in parallelo, pertanto : a) Operano in similitudine b) Elaborano la stessa portata c) Hanno la stessa prevalenza d) Operano sempre con lo stesso rendimento 9) Un diffusore (1=sezione ingresso, 2=sezione uscita) adiabatico e orizzontale è attraversato da acqua, pertanto: a) ℎ������,2< ℎ������,1 ( ℎ������ = entalpia totale ) b) ������������,2> ������������,1 ( ������������ = pressione totale ) c) ������2< ������1 ( ������ = pressione ) d) ℎ2> ℎ1 ( ℎ = entalpia ) 10 ) Quale delle seguenti figure rappresenta correttamente la palettatura di un rotore di compressore assiale? (Si assuma costante la velocit� meridiana attraverso il rotore). t m U U U U a) b) c) d) Cognome e Nome............................................................................................ Matricola......................... ............... Corso di Laurea in Ingegneria Chimica , esame di “M acchine e Sistemi Energetici” 21 Gennaio 2019 Esercizio 1 (9 punti) Lo stadio di turbo -compressore centrifugo � in figura è adiabatico e comprime azoto ( �������� �������� ,� � = �� �� ���� ,������= �.�) ed è seguito da un interre frigeratore �� (scambiatore di calore) . Il sistema opera in condizioni stazionarie. Sono noti i seguenti dati operativi e di impianto: - condizioni statiche in aspirazione al compressore �: ��= � ��� , ��= �� °� ; - diametro e velocità nel condotto di aspirazione al compressore �: ��= �.� � , ��= �� � /� ; - potenza scambiata dal compressore con il fluido �̇= �� �� ; - rendimento isoentropico static -static compressore �: �������� = ��,��−�� � = �.� ; (ℎ = entalpia statica specifica, ������ = lavoro specifico); - velocità nel condotto di mandata del compressore �: ��= �� � /� ; - velocità e temperatura statica in uscita all’interrefrigeratore �� identiche a quelle in ingresso al compressore �: ��= �� ,��= �� ; Si richiede di determinare : a. la portata massica �̇ elaborata dal compressore � ; b. la pressione statica del fluido �� e il diametro �� nella sezione 2 in mandata al compressore �; c. la potenza termica �̇ scambiata nell’interrefrigeratore �� , specificando se assorbita o c eduta dal fluido di lavoro (azoto); d. disegnare le trasformazioni termodinamiche subite dal fluido di lavoro in un d iagramma ������ – �. Ese rcizio 2 (10 punti) Il sistema di pompaggio in figura preleva acqua ( ������= ���� �� /� �) da un serbatoio di aspirazione in cui il fluido si trova in condizioni di saturazione alla pressione ��= �.�� ��� (assoluti) . Tramite una pompa centrifuga e due tubazioni identiche in parallelo, l’acqua viene inviata a un serbatoio di mandata alla pressione ��= � ��� (assoluti) . Il sistema opera in condizioni stazionarie. Le curve caratteristiche della pompa che opera alla velocità di rotazione fissa di ���� ��� , sono: � = −�� �̇�+ �� �̇+ �� �̇= [� �/�] ������= −�.��̇�+ �.��̇+ �.� ���� �= + �.� �̇+ � �,���� �= [� ] Sono noti i seguenti dati di impianto: - dislivello peli liberi aspirazione e mandata: �������− �������= � � ; - diametro tubazioni aspirazione e mandata: ��= �.� � , ��,�= ��,��= �.� � ; - dissipazione per attrito complessiva nel tubo di aspirazione �: �������= � ����� ��������� ; - dissipazione per attrito complessiva in ciascun tubo di mandata (valvola inclusa) � � ,� ��: �������,�= �������,��= �� .� ����� ��������� . Cognome e Nome............................................................................................ Matricola......................... ............... Si richiede di determinare : a. la potenza �̇ assorbita dalla pompa; b. la quota di installazione della pompa rispetto al pelo libero 0, garantendo un funzionamento esente da cavitazione con un margine di sicurezza pari a �.� � (si trascurino i gas disciolti nel liquido) . Successivamente i l ramo di mandata � �� viene com pletamente chiuso tramite la valvola su esso collocata . In questa nuova condizione operativa la pompa eroga una prevalenza �′= �� .� � ed elabora una portata �̇′> �.� � �/�. Per questa nuova condizione operativa, s i richiede di: c. determinare la potenza �̇′ assorbita dalla pompa; d. indicare se la pompa cavita; e. determinare la curva caratteristica di prevalenza del circuito �′�= �′�(�′̇). Esercizio 3 (8 punti) Un ciclo semplice inverso a compressione di vapore viene impiegato per realizza re una pompa di calore . Una portata massica �̇= � �� /� di ����� (tetrafluoroetano, CH 2FCF 3, diagramma ������− ℎ allegato) viene usata come fluido di lavoro del ciclo termodinamico. L’impianto è destinato al riscaldamento di una portata �̇������2������ di acqua (��,������2������= ���� � ��� ) dalla temperatura ���,���= �� °� alla temperatura ���� ,���= �� °�. L’evaporatore del ciclo preleva potenza termica da acqua di falda che si tr ova a lla temperatura costante ��= �� °�. E’ inoltre noto che: - il vapore è aspirato al compressore i n condizioni di saturazione ; - il liquido in ingresso alla valvola di laminazione si trova in condizioni di saturazione; - la differenza tra temperatura dell’acqua di falda e temperatura di evaporazi one del ������134 ������ è |∆��������� |= � °� (in modulo ); - la differenza tra temperatura dell’acqua riscaldata ���� ,��� e temperatura di condensazione del ������134 ������ è |∆����� |= � °� (in modulo ); - la potenza elettrica assorbita al compressore è pari a �̇�� = �� �� ; - al condensatore e all’ evaporatore si possono trascurare le perdite di carico e le perdite termiche ; - il rendimento combinato di motore elettrico e trasmissione meccanica al compressore è �������,�� = �.�� . Si richiede di: a. disegnare uno schema di impianto e rappresentare il ciclo termodinamico su un piano temperatura -entropia specifica ( ������− �); b. determinare i punti del ciclo termodinamico in termini di entalpia specifica , temperatura e pressione ; c. determinare il rendimento isoentropico �������� del compressore; d. calcolare la portata massica �̇������2������ di acqua riscaldata al condensatore; e. calcolare l’energy efficiency ratio ��� dell’impianto, commentando il valore ottenuto. Domanda 1 (3 punti) Per una pompa centrifuga monostadio con pale all’indietro: a. disegnare su un opportuno diagramma dimensionale la curva caratteristica di prevalenza della macchina per due velocità di rotazione �� e �� con ��> ��. Definire le grandezze sugli assi e rappresentare due punti corrispo ndenti , uno per ciascuna curva ( usare i simboli o e x); b. disegnare su un opportuno diagramma adimensionale la curva caratteristica di prevalenza della macchina per due velocità di rotazione �� e �� con ��> ��. Definire le grandezze sugli assi e rappresentare due punti corrispo ndenti , uno per ciascuna curva ( usare i simboli o e x). Motivare le risposte date. p-h Diagram for R134a Plotted by: J P M Trusler Reference state: h/(kJ·kg -1) = 200 and s/(kJ·K -1·kg -1) = 1.00 for saturated liquid at T = 0°C. 0.11 10 100 100 200 300 400 500 h/(kJ·kg -1) p/bar   T/°C   s/(kJ·K -1·kg -1)  v/(m 3·kg -1)   Quality 1.58 1.66 1.62 1.70 0.002 2.34 2.30 2.26 2.22 2.18 2.14 2.10 2.06 2.02 1.98 1.94 1.90 1.86 1.82 1.78 1.74 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 0.005 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 100 120 110 100 130 12090 8070 60 5040 100 20 -10-20 -30 -40 -50 150 14030 110 0.1 0.8 0.6 0.2 0.4 0.3 0.7 0.5 0.9 0.82 0.86 0.90 0.94 0.98 1.02 1.06 1.10 1.14 1.18 1.22 1.26 1.30 1.34 1.38 1.42 1.46 1.50 1.54 0.74 0.78 © Imperial College London 2003