Chemical Engineering - Macchine e Sistemi Energetici

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Corso di Laurea Ing . Chimica , esame di M acchine e Sistemi Energetici , 18 gennaio 20 23 Esercizio 1 (8 punti) Una pompa di calore a compressione di vapore opera con R134a (tetra - fluoro -etano, ������������3������������2������) e viene impiegata per riscaldare una corrente di acqua (��,��� = ���� � ��� ; ������������2������ = ���� �� /� �) da una temperatura ��= �� °� a una temperatura ��= �� °�. Al condensatore � della pompa di calore il R134a entra alle condizioni ��= �� ��� ,��= �� °�. Il compressore della pompa di calore assorbe una potenza pari a �̇����� = ��� �� , mentre l’energy efficiency ratio è �� ���� = �. Il circuito acqua è costituito da una pompa � adiabatica, dal ramo acqua del condens atore � e da una valvola di regolazione �, pure adiabatica, così come tutte le tubazioni cha hanno anche uguale diametro . Il sistema è posto su un piano orizzontale e opera in condizioni stazionarie. Sono noti i seguenti dati di impianto, lato acqua: - po tenza assorbita dalla pompa ������, �̇�= �.� �� ; - dissipazione di energia specifica per attrito lato acqua del condensatore �������= ��� �/�� ; - dissipazione di energia specifica per attrito valvola ������ pari a �� ����� ��������� ; - temperatura scarico circuito ��= �� .�� °�; - incremento di pressione su tutto il circuito acqua pari a ������� = �.� ��� ; Si richiede di : a. calcolare la portata di R134a; b. determinare il diametro delle tubazioni lato acqua; c. determinare la temperatura in ingresso al circuito acqua . Allegato: diagramma di stato pressione – entalpia specifica ( ������−ℎ) del R134a. Esercizio 2 (9 punti) Uno stadio di turbina assiale ideale opera in condizioni stazionarie ed eroga una potenza ������̇= � �� espande ndo aria ( �= �.�; � = ��� �/(�� �)) a partire da condizioni totali ��� = � ��� ,��� = ��� °� fino ad una pressione imposta allo scarico del rotore pari a �� = �.� ��� . La geometria dello stadio è definita dagli angoli costruttivi allo scarico dello statore pari a +�� ° e allo scarico del rotore pari a −�� °, dal diametro medio (costante per l’intero stadio) �� = �.�� � e dall'altezza di pala allo scarico del rotore �� = �.�� � . Il rendimento total -static dello stadio è �������� = �.� ed è noto che la velocità periferica non può superare i 300 ������/������ per motivi strutturali . Si richiede di: a. determinare e disegnare i triangoli di velocità dello stadi o; b. calcol are l'altezza di pala allo scarico dello statore . Esercizio 3 (9 punti) L’impianto turbogas in ciclo aperto rappresentato in figura opera in condizioni stazionarie ed è destinato alla produzione di energia elettrica. Esso è organizzato su due alberi, con la turbina di alta pressione ( ��� ) che trascina sia il compressore � del turbogas, sia il compressore ausiliario �� destinato alla compressione del combustibile. I parametri operativi del ciclo e prestazionali dei componenti di impianto sono: - Pressione e temperatura ambiente: ���� = � �������� , ���� = �� °������ - Pressione e temperatura di aspirazione combustibile: ��= � �������� , ��= �� °������ - Rapporto di compressione del ciclo turbogas: � = �� - Temperatura massima del ciclo turbogas : ��������� = ���� °������ - Perdite di carico trascurabili al combustore e alla linea di adduzione del combustibile - Rendimenti isoentropici macchine: �������= �.�� , ��������� = ��������� = �.�� ,�������� = �.�� - Rendimento termico del combustore ��������� = �.�� - Rendimento del generatore elettrico �������� = �.�� - Dissipazioni nelle trasmissioni meccaniche trascurabili - Proprietà c ombustibile (gas naturale , gas perfetto) : ��= �.�� ,��� = ���� �/(������������� ) , ��� = �� �� /�� riferito a ���� = �� °������ - Proprietà aria: ��= �.� ,��= ��� �/(������������� ) - Proprietà gas combusti: ��= �.�� ,��� = ���� �/(������������� ) Noto che la potenza elettrica netta prodotta dall’impianto è pari a �̇�� = �� �� , si richiede di: a. rappresentare il ciclo turbogas su un piano termodinamico t emperatura -entropia specifica (T -s); b. determinare il rapporto massico aria/combustibile al combustore; c. calcolare la portata massica di aria aspirata al compressore ������; d. calcolare il rendimento di impianto, dando un commento motivato del valore ottenuto. Do manda 1 (3 punti) Riguardo i diagrammi statistici di Baljé: a. si indichi quali parametri si impiegano e quale ragione motiva questa scelta; b. si illustri , motivando la risposta, qual è la principale utilità di tali diagrammi e per che tipo di macchine (o elementi di macchine) possono essere usati; c. si dica, motivando la risposta, cosa rappresenta un punto del diagramma nel caso di applicazioni a flusso incomprimibile e ne l caso di applicazioni a flusso comprimibile. Domanda 2 (1 punto) Nelle applicazioni industriali è più comune trovare ventilatori centrifughi con pale in avanti o pompe centrifughe con pale in avanti? Perché? (Max 100 parole). Domanda 3 (1 punto) Cosa rappresenta fisicamen te il lavoro euleriano per una turbina idraulica? ( Max 50 parole) . 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