Elementi di Meccanica agraria

Corso di Meccanica agraria
Istituto Agrario S. Michele
Elementi di Meccanica agraria
Classe 3^S a.s. 2008-09
con il coordinamento e la supervisione
del prof. Maines Fernando
Giugno 2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 1
Maines Fernando
Sommario Introduzione alla meccanizzazione in agricoltura ............................................................3
Elementi di fisica applicata.................................................................................................10
2.1 Velocità...........................................................................................................................14
2.2 Accelerazione ................................................................................................................15
2.3 Forza ...............................................................................................................................15
2.4 Pressione ........................................................................................................................16
2.5 Il lavoro ..........................................................................................................................16
2.6 La potenza......................................................................................................................17
2.7 L’energia.........................................................................................................................18
3 I principi dell’elettromagnetismo ......................................................................................19
4 Generatori elettrici ...............................................................................................................25
4.1 Generatori di corrente continua (dinamo) ................................................................29
4.2 Generatori di corrente alternata (alternatori) ...........................................................30
5 I motori elettrici ....................................................................................................................32
6 I generatori eolici ed i generatori idraulici .......................................................................39
6.1 I generatori eolici ..........................................................................................................43
6.2 I generatori idraulici.....................................................................................................45
7 Introduzione alle pompe.....................................................................................................49
7.1 La potenza......................................................................................................................53
7.2 La prevalenza ................................................................................................................54
7.3 Curve caratteristiche ....................................................................................................56
7.4 Classificazione generale delle pompe........................................................................56
8 Le pompe volumetriche ......................................................................................................58
8.1 Pompe alternative a pistoni.........................................................................................62
8.2 Pompe alternative a membrana..................................................................................63
8.3 Pompe rotative ad ingranaggi ....................................................................................64
8.4 Pompe a lobi ..................................................................................................................65
8.5 Pompe volumetriche rotative a vite (mohno)...........................................................65
8.6 Pompe peristaltiche ......................................................................................................66
8.7 Pompe ad ogiva o a girante ellittica...........................................................................66
9 Le pompe centrifughe..........................................................................................................68
10 Calore e temperatura .......................................................................................................77
11 Propagazione del calore ..................................................................................................84
11.1
Trasmissione per conduzione..................................................................................87
11.2
Trasmissione per convezione ..................................................................................89
11.3
Trasmissione per irraggiamento .............................................................................89
11.4
Scambiatori di calore ................................................................................................90
11.5
Scambio termico attraverso una parete..................................................................92
12 Temperatura ed umidità dell’aria ..................................................................................94
12.1
Aspetti pratici ............................................................................................................98
13 Elementi di termodinamica (cenni) .............................................................................101
13.1
La termodinamica ...................................................................................................104
1
2
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 2
Maines Fernando
13.2
Trasformazioni nei gas ...........................................................................................105
13.3
Il ciclo di Carnot ......................................................................................................107
14 I combustibili...................................................................................................................111
14.1
Combustibili solidi..................................................................................................114
14.2
Combustibili liquidi................................................................................................115
14.3
Combustibili gassosi...............................................................................................116
15 Le caldaie .........................................................................................................................119
16 Digestori anaerobici e gassificatori ..............................................................................130
16.1
Digestori anaerobici ................................................................................................133
16.2
Gasificatori ...............................................................................................................136
17 Le tecnologie solari.........................................................................................................139
17.1
Pannelli solari ..........................................................................................................143
17.2
I generatori fotovoltaici ..........................................................................................146
18 Gli impianti di cogenerazione ......................................................................................150
19 Le pompe di calore .........................................................................................................158
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 3
Maines Fernando
1 Introduzione alla meccanizzazione in agricoltura
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 4
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 5
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 6
Maines Fernando
Fin dall’antichità si è cercato di aumentare la capacità operativa e l’efficienza dell’uomo
nello svolgimento del lavoro nei campi, mediante l’utilizzo di animali, di strumenti di
lavoro e di specifiche attrezzature. Questo processo ha subito una consistente
accelerazione a partire dalla fine dei 19° secolo grazie all’introduzione delle macchine
(insieme di organi legati tra loro, di cui uno mobile, riuniti in modo solidale per svolgere
una precisa funzione1). La massiccia introduzione dell’elettronica di questi ultimi anni ha
permesso un ulteriore evoluzione verso due nuove frontiere: l’automazione e l’agricoltura
di precisione.
Con l’automazione si assicura la possibilità di svolgere determinate operazioni anche in
assenza di sorveglianza allo scopo di liberare l’operatore dalla necessità di eseguire attività
ripetitive o poco significative (irrigazione, rimontaggi e follature, ...). L’agricoltura di
precisione, invece, è una branca dell’ingegneria agraria che si avvale dell’impiago delle
nuove tecnologie (GPS, informatica, ...) per ottenere informazioni gestionali da utilizzare
direttamente in campo. Le macchine agricole in tal modo migliorano la capacità operativa
adattando i parametri di lavoro (velocità di avanzamento, posizione degli organi di lavoro,
quantità di prodotto erogato, ...) in funzione delle caratteristiche agronomiche, giungendo
a discriminare, nel caso dei sistemi più avanzati, le variazioni fino a livello della singola
pianta.
La meccanizzazione (parziale o totale) delle operazioni agricole ha determinato notevoli
vantaggi:
¾ notevole aumento della produttività: gli addetti alle attività agricole, per quanto
diminuiti a percentuali ormai marginali, riescono a sostenere livelli produttivi
decisamente maggiori rispetto al passato2;
¾ riduzione della fatica e del logoramento fisico che, nel passato, caratterizzavano
la vita degli agricoltori. Oggi chi opera in agricoltura svolge attività più
1
Le macchine agricole si distinguono in motrici operatrici.
La meccanizzazione è pertanto strettamente collegata (causa o effetto?) con il fenomeno
dell’urbanizzazione tipico di tutte le società avanzate o in fase di sviluppo.
2
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 7
Maines Fernando
qualificanti e può dedicare una maggiore attenzione agli aspetti qualitativi delle
produzioni;
¾ migliore efficienza e tempestività: le macchine, rispetto all’uomo si caratterizzano
per la maggiore regolarità, la costanza, la precisione (si riduce l’incidenza
dell’errore umano) e la ripetibilità3. Inoltre l’elevata capacità operativa delle
macchine consente di eseguire le operazioni nel periodo migliore dal punto di
vista agronomico (“finestra temporale ottimale”).
Esistono anche aspetti decisamente problematici indotti dalla meccanizzazione:
¾ elevata richiesta di energia: in particolare in agricoltura si utilizzano combustibili
fossili (gasolio, benzina, metano, G.P.L.) ed energia elettrica. Gli elevati costi e la
dipendenza da fonti energetiche tradizionali possono essere ridotti mediante
l’adozione di diverse strategie:
• eliminazione degli sprechi;
• adozione di fonti alternative (solare, biomasse, biocombustibili, biogas, ...);
• aumento di efficienza mediante la razionalizzazione dei processi produttivi
e la scelta opportuna delle macchine.
¾ impatto ambientale: l’utilizzo delle macchine induce effetti deleteri per l’aria, le
acque ed il terreno. In particolare si possono evidenziare:
• emissioni di gas di combustione nell’atmosfera;
• dispersione nell’ambiente (terreno, acque superficiali, falde acquifere) di olii
lubrificanti e di altre sostanze tossiche (fluidi frigorigeni, ...);
• compattamento del terreno con conseguenti problemi di destrutturazione
dei suoli, di erosione e di perdita della fertilità;
• emissione di rumore e di vibrazioni.
¾ incidenza di nuove malattie professionali e di infortuni sul lavoro. Le principali
patologie connesse all’utilizzo delle macchine agricole sono indotte
dall’esposizione prolungata alle vibrazioni ed al rumore, dal contatto con
sostanze nocive (fitofarmaci, SO2, ...) oppure a posture di lavoro non corrette
(necessità di girarsi frequentemente mentre si guida il trattore per controllare
attrezzi collegati posteriormente, ...). Molte sono anche le cause di possibili
infortuni, anche mortali, dovuti a cadute, ribaltamenti con il trattore, contatto con
organi meccanici in movimento, folgorazione, investimento, ...). Importante
pertanto la prevenzione attraverso la formazione degli operatori, l’uso di idonei
dispositivi di sicurezza ed il rispetto delle relative norme (codice stradale, legge
626, ...);
¾ maggiore richiesta di competenze da parte degli operatori: l’utilizzo delle
macchine e delle attrezzature consente di raggiungere i risultati previsti solo se
l’imprenditore agricolo e l’operatore sono in possesso di specifiche conoscenze e
competenze, di livello decisamente più alto rispetto al passato, necessarie per
poter adottare corrette strategie di operative e di gestione;
¾ vulnerabilità gestionale in caso di guasto di macchine o di attrezzature
soprattutto nelle situazioni di meccanizzazione spinta. Ritrovarsi
improvvisamente con macchine guaste in momenti critici del processo
3
L’utilizzo delle macchine, però, non consente (per ora) di effettuare in modo ottimale talune
operazioni che richiedono un intervento decisionale (raccolta selettiva dell’uva, operazioni di dirado, ...).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 8
Maines Fernando
produttivo (la vendemmia, il manifestarsi di un patogeno, l’imbottigliamento, ...)
può mettere in pericolo il risultato economico dell’intera annata agraria. Per
ridurre tali rischi è necessario operare corrette scelte nella definizione della
capacità operativa e del numero delle macchine, nella valutazione della
affidabilità dei marchi, della qualità ed dell’efficienza dei servizi di assistenza
post-vendita.
E’ pertanto fondamentale che l’imprenditore agricolo adotti idonee strategie decisionali
per attuare una corretta scelta delle macchine, delle attrezzature e degli impianti4. Tale
processo richiede diversi passaggi:
¾ analisi (rigorosa) degli effettivi fabbisogni di potenza e/o di capacità operativa.
In agricoltura, generalmente, la richiesta di potenza si caratterizza per una
spiccata variabilità stagionale. Si deve pertanto strutturare l’analisi su una scala
temporale mettendo in evidenza i fabbisogni (almeno a livello mensile) in
funzione dei calendari di lavoro. Per quanto riguarda invece la capacità
operativa, si deve partire da una analisi di ciascuna operazione da svolgere (in
base alle caratteristiche agronomiche, climatiche, pedologiche, organizzative e
economiche specifiche dell’azienda) per definire seguenti aspetti:
• i tempi operativi (effettivi, accessori, tempi morti, ...) da mettere a confronto
con il tempo a disposizione (“finestra temporale”) al fine di assicurare
sufficiente tempestività di esecuzione;
• il grado di meccanizzazione (o di automatizzazione), inteso con rapporto
fra energia meccanica fornita e fabbisogno totale;
• gli indici di efficienza necessari per raggiungere gli obiettivi prefissati.
¾ analisi della richiesta di manodopera, sia in termini quantitativi che qualitativi
(livelli di competenza) da confrontarsi con la disponibilità aziendale;
¾ analisi dei costi (fissi e variabili): se da un lato la meccanizzazione richiede
significativi investimenti iniziali (progettazione, acquisto, installazione) e non
trascurabili costi di gestione (consumi energetici, manutenzione e riparazioni),
dall’altra induce una decisa riduzione dei costi di manodopera ed un aumento di
produttività sia in termini quantitativi che qualitativi. Una corretta strategia
decisionale deve individuare il giusto equilibrio in grado di assicurare il maggior
beneficio economico. E’ bene notare che tale punto di equilibrio non corrisponde
mai con le condizioni di meccanizzazione integrale;
¾ analisi delle priorità: per ciascuna operazione si dovrà valutare quale impatto
(economico, operativo, ...) avrà la relativa meccanizzazione sull’intero processo
produttivo, per definire una efficace gerarchia temporale di intervento;
¾ analisi dell’impatto ambientale indotto dalla meccanizzazione: tali effetti possono
variare considerevolmente in funzione delle caratteristiche agronomiche ed
organizzative di ciascuna azienda e della sensibilità ambientale dell’imprenditore
e degli operatori. Questo aspetto diventerà sempre più importante nei prossimi
anni per i crescenti costi indotti dal rispetto delle normative ambientali.
4 Con il termine “impianti” si intende l’insieme dei dispositivi utilizzati per svolgere particolari
operazioni (generalmente a punto fisso) come, ad esempio, l’impianto di irrigazione, l’impianto di
mungitura o l’impianto idrico di una cantina.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 9
Maines Fernando
Ogni valutazione, per essere efficace, deve essere oggettiva. Per questo si devono
adottare metodologie rigorose in grado di fornire risultati “realistici”. Ad esempio per
studiare il rapporto qualità-prezzo si può operare analizzando più parametri (la
conformità al capitolato, la qualità del servizio di vendita, la qualità del servizio di postvendita e di assistenza, la facilità di utilizzo, la facilità di manutenzione, la qualità del
lavoro, ...) associando a ciascuno un peso ed un voto (ad esempio da 1 a 5). Solo così si
potranno confrontare in modo rigoroso ed efficace i diversi modelli della stessa tipologia
di macchina proposti dal mercato. Per questo, negli ultimi anni, sono stati messi a punto
specifici software (SSD – Sistemi di Supporto alle Decisioni) in grado di rappresentare i
sistemi produttivi in agricoltura e di modellizzare il grado di meccanizzazione. Lo studio
può essere applicato ad una singola macchina (accoppiamento motrice-operatrice, singolo
cantiere di lavoro, singolo impianto) o all’intero parco macchine fornendo, in uscita, un
giudizio di convenienza operativa ed un giudizio di convenienza economica.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 10
Maines Fernando
2 Elementi di fisica applicata
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 11
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 12
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 13
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 14
Maines Fernando
Nella fisica applicata troviamo 7 elementi fondamentali:
¾ velocità;
¾ accelerazione;
¾ forza;
¾ pressione;
¾ lavoro;
¾ potenza;
¾ energia.
In meccanica esistono principalmente due moti: il moto rettilineo e quello circolare.
Entrambi questi moti possono essere:
¾ uniformi: quando al variare del tempo la sua velocità rimane costante;
¾ uniformemente accelerati: quando al variare del tempo la sua accelerazione non
varia;
¾ non uniformemente accelerati: quando al variare del tempo la sua accelerazione
varia.
2.1 Velocità
La velocità è una grandezza fisica che esprime la rapidità con cui varia la posizione di
un corpo in movimento; ha come dimensioni il rapporto tra
una distanza e un tempo. Essendo la distanza una
grandezza vettoriale (a differenza del tempo che è una
grandezza scalare), anche la velocità è una grandezza
vettoriale e quindi è definita da un’intensità, una direzione
e un verso.
Si esprime come la variazione di posizione Δs (distanza
percorsa) registrata nell’intervallo di tempo Δt.
La velocità si suddivide in due tipi: velocità rettilinea e
velocità circolare.
¾ velocità rettilinea: è una grandezza ottenuta dallo
spazio percorso (grandezza vettoriale) fratto il tempo (grandezza scalare). Nel
S.I5. si misura in metri al secondo (m/s). Quando il moto è uniforme, la velocità è
costante e si determina semplicemente dividendo lo spazio percorso per il tempo
impiegato a percorrerlo.
V = s/t
[m/s]
¾ velocità circolare o angolare: è la velocità con cui un punto si muove su una
traiettoria circolare. La sua unità di misura sono i radianti al secondo (rad/s). Si
definisce di 1 radiante, l’angolo di una circonferenza sotteso ad un arco lungo
Il S.I. fissa le 7 unità di misura fondamentali dalle quali tutte le altre derivano, i multipli e i
sottomultipli.
5
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 15
Maines Fernando
quanto il raggio; pertanto l’angolo sotteso a tutta la circonferenza (360°) equivale
a 2π rad;
ω = α/t = 2πn/60
[rad/s]
Ad una data velocità angolare corrisponde una velocità periferica data dalla velocità
angolare per il raggio della circonferenza, espressa in metri su secondi (m/s).
Alcuni elementi pratici:
¾ nei lavori agricoli le velocità sono in gran parte <15 km/h;
¾ l’autodislocazione dei mezzi agricoli si caratterizza per la necessaria presenza di
slittamenti. Questo fenomeno si quantifica con s = (Vp-Va)/Vp; tale valore non
deve essere maggiore del 10 ÷ 15%.
2.2 Accelerazione
Nel caso di moti con velocità variabile è stato introdotto il concetto di accelerazione. E’
questa una grandezza fisica vettoriale, definita come la variazione della velocità di un
corpo nell’unità di tempo. Poiché la velocità è una grandezza vettoriale, specificata cioè da
intensità o modulo, direzione e verso, un corpo ha un’accelerazione non nulla se la sua
velocità varia nel tempo non solo per modulo, ma anche soltanto per direzione o per verso
di moto.
L’accelerazione rappresenta la variazione di velocità nell’unità di tempo, e l’unità di
misura dell’accelerazione sono i metri al secondo quadro (m/s²).
Se l’accelerazione è maggiore di zero la velocità è crescente ed il moto si dice accelerato;
se l’accelerazione è minore di zero la velocità è decrescente ed il moto è detto decelerato.
Se, invece, l’accelerazione è costante il moto è detto uniformemente accelerato.
L’accelerazione di gravità (g) esprime l’accelerazione che viene impressa a tutti i corpi
per l’attrazione dovuta al campo gravitazionale terrestre. Il suo valore alla nostra
latitudine ed in prossimità della superficie terrestre è di 9,81 m/s2.
2.3 Forza
Una forza è una grandezza fisica vettoriale che si manifesta nell’interazione di due o più
corpi e cambia lo stato di quiete o di moto dei corpi stessi. Il secondo principio della
dinamica definisce qual è la relazione tra una forza e l’effetto che essa produce sul moto di
un corpo: in forma matematica si scrive F = m a, dove F rappresenta la forza, a
l’accelerazione acquisita dal corpo ed m, costante di proporzionalità tra le due grandezze,
la massa inerziale del corpo. Dunque, se la forza è nulla (o è nulla la risultante, vale a dire
la somma vettoriale di tutte le forze agenti), l’accelerazione non può che essere nulla, e il
corpo rimanere in quiete, o al più muoversi di moto rettilineo uniforme (primo principio
della dinamica); se invece la forza è diversa da zero, il corpo acquista un’accelerazione
tanto maggiore quanto più piccola è la sua massa inerziale.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 16
Maines Fernando
L’unità di misura è il newton [N]: una forza di 1 N imprime ad un corpo con la massa di
1 kg l’accelerazione di 1 m/s2.
Alcuni elementi da ricordare:
¾ la differenza fra massa e peso;
¾ la definizione di massa volumica (ex densità) espressa in kg/m3 e di peso
volumico (ex peso specifico) espresso in N/m3.
Le forze si suddividono in forze motrici (quelle che favoriscono il moto) e forze
resistenti o passive (che si oppongono al moto come gli attriti).
Il comportamento dinamico di un corpo dipende dalla sommatoria delle forze a cui è
sottoposto. Se la somma delle forze è nulla il corpo resta fermo, altrimenti si mette o si
mantiene in movimento.
Il movimento è dato da una traslazione se il corpo è privo di vincoli.
Se, invece, applico una forza a un corpo vincolato non è sufficiente conoscere la forza
ma devo quantificare anche il braccio (distanza fra la direzione della forza e il punto
vincolato). L’effetto indotto è un moto rotatorio. La causa di tale moto rotativo viene
chiamato momento (M = F b) la cui unità di misura è il Nm. Il momento viene anche
chiamato coppia in quanto la forza applicata e la forza di reazione presente nel vincolo
formano una coppia di forze uguali e contrarie.
A questo punto è possibile completare la definizione di corpo in quiete in quanto sono
necessarie due condizioni:
¾ risultante nulla delle forze applicate al corpo (assenza di traslazioni);
¾ risultante nulla dei momenti applicati al corpo (assenza di rotazioni).
2.4 Pressione
La pressione è una grandezza scalare definita come il rapporto tra la forza e esercitata
perpendicolarmente a una superficie e l’area della superficie stessa.
P = F / S [Pa]
L’unità di misura della pressione è il pascal (Pa) che corrisponde ad una forza di 1 N
applicata su di una superficie di 1m2. Per comodità o per tradizione si utilizzano anche le
seguenti unità:
¾ bar corrisponde a 100000 Pa;
¾ atmosfera (atm) corrisponde a 101234 P, a 10,33 mCA oppure a 760 mmHg;
¾ 1 kg/m2 pari a 9,8 Pa;
¾ 1 kg/cm2 pari a 98000 Pa cioè circa 1 atm.
2.5 Il lavoro
Il lavoro in fisica, è una grandezza scalare definita dal prodotto scalare della forza
applicata a un corpo (vettore) per lo spostamento (vettore) che esso subisce a causa
dell’azione della forza. Una forza compie lavoro ogni volta che produce uno spostamento
del corpo su cui agisce. Il lavoro è positivo se lo spostamento ha la stessa direzione e lo
stesso verso della forza (lavoro motore), negativo se ha verso opposto (lavoro resistente) e
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 17
Maines Fernando
nullo se la forza non produce spostamento o se questo avviene nella direzione
perpendicolare alla linea d’azione della forza.
L = F X S (prodotto scalare) oppure L = F s cosα
dove α rappresenta l’angolo fra la direzione della forza e la direzione dello
spostamento.
La forza viene espressa in newton (N) e lo spostamento in metri (m), quindi si origina
una nuova unità di misura: newton per metro (N·m) che è uguale a joule (J).
Quando il moto è circolare la formula diventa:
L=F r α
dove α, in questo caso, rappresenta l’angolo al centro della traiettoria circolare percorsa.
Semplificando si ottiene:
L=M* α
dove M rappresenta il momento applicato.
2.6
La potenza
La potenza è una grandezza fisica che esprime la velocità con cui si compie un lavoro o
si trasferisce energia a un sistema. Se si indica con L il lavoro compiuto in un intervallo di
tempo t, sufficientemente piccolo perché non siano apprezzabili le variazioni delle forze
applicate, la potenza è data dal rapporto L/t, tra il lavoro compiuto e il tempo impiegato a
compierlo.
L’unità di misura della potenza nel Sistema Internazionale è il watt (W) che corrisponde
alla potenza necessaria per compiere il lavoro di 1 joule nell’intervallo di tempo di un
secondo.
P=L/t
Nel sistema internazionale viene usato molto più frequentemente il chilojoule (kJ) e il
chilowatt (kW), in quanto gli Joule e i Watt esprimono una piccola quantità di energia.
Dalla formula P = L/t si può ricavare le seguenti formule:
¾ nel moto rettilineo, P=F s/t cioè P=F v; dunque, si può comprendere come
all’aumentare della forza diminuisca la velocità e viceversa. Per fare un esempio
possiamo confrontare una trattrice con un’automobile: il motore della trattrice ha
una velocità limitata, ma sviluppa una forza elevata. Quello di un’automobile,
invece, produce una forza limitata a fronte di un’elevata velocità;
¾ nel moto circolare P=M*α/t cioè P=M*ω = (M*2π*n)/60 e quindi la potenza è
data dal momento per la velocità angolare.
Altre unità di misura per la potenza sono:
¾ il CV (1 kW = 1,36 CV);
¾ il HP (1 kW = 1,34 HP);
¾ il kgm/s (1 kW = 9,81 kgm/s).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 18
Maines Fernando
2.7 L’energia.
GL’energia è la grandezza fisica che esprime la capacità di un sistema fisico di compiere
lavoro e quindi più in generale l’energia è la capacità di produrre un effetto fisico (ad
esempio un movimento, un cambio di temperatura, un cambio di pressione, …).
L’energia si ricava dal prodotto fra la potenza e il tempo e quindi tra chilowatt (kW) e
ore(h).
E=pt
Pertanto l’unità di misura è il joule (J). Altre unità di misura sono:
¾ la kcal pari a 4,186 kJ;
¾ il kWh pari a 3600 kJ.
Esistono tipologie diverse di energia (meccanica, chimica, elettrica, eolica, solare,
geotermica, delle biomasse, …) riconducibili tutte alle seguenti due forme:
¾ cinetica: è l’energia posseduta da un corpo in movimento (E = 1/2 mv2);
¾ potenziale: è l’energia posseduta da un corpo per effetto della posizione o
configurazione o del suo stato fisico o chimico.
L’energia, per essere utilizzata, può essere trasformata da una tipologia all’altra, come
ad esempio avviene in un motore. Quest’ultimo, infatti, è un dispositivo creato
appositamente per trasformare una qualunque energia (ad esempio chimica o termica) in
energia meccanica. Durante questa trasformazione non si ha distruzione di energia ma
bensì una “perdita di pregio”. L’energia pregiata è quella che facilmente si può
trasformare in altre tipologie di energia. Questo ad esempio avviene per l’energia elettrica
che può essere trasformata in calore, energia luminosa, energia meccanica, ecc. L’energia si
trova in una forma meno pregiata quando, pur potendosi trasformare in altre tipologie,
avviene con una minore efficienza. Questo avviene nel caso dell’energia termica da
trasformare in energia meccanica come nel motore diesel dato che solo il 35% del calore
sviluppato diventa energia meccanica ed il resto viene dissipato come calore a
temperatura minore.
In natura le trasformazioni si muovono in direzione di un aumento del disordine
(definito mediante l’entropia).
Pertanto tutti i processi tecnologici che trasformano energia da un tipo ad un altro si
caratterizzano per un rendimento minore di 1. Infatti solo una parte dell’energia in entrata
viene convertita in energia in uscita effettivamente utilizzabile in quanto una parte viene
dispersa.
E
P
η = out = out < 1
Ein
Pin
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 19
Maines Fernando
3 I principi dell’elettromagnetismo
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 20
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 21
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 22
Maines Fernando
L’energia elettrica è una delle diverse forme con cui si manifesta l’energia, cioè la
capacità di un sistema di compiere un lavoro.
E’ necessario ricordare alcuni concetti base:
¾ ogni carica elettrica produce un campo elettrico cioè una modificazione dello
spazio, che si propaga alla velocità della luce; tale modificazione si manifesta su
di un’eventuale altra carica elettrica attraverso una forza di attrazione (se le due
cariche hanno segno diverso) o di repulsione (se le due cariche sono dello stesso
segno);
¾ un campo elettrico determina la presenza nello spazio di punti a potenziale
elettrico differenti; le cariche elettriche tendono a muoversi da punti a minore
potenziale verso punti a potenziale maggiore. La differenza di potenziale (d.d.p.)
o tensione (V) fra due punti interessati dal campo elettrico si misura in Volt.
Particolari materiali, detti conduttori, si caratterizzano per la struttura cristallina
formata da ioni positivi immersi in una nube elettronica formata da elettrono liveri
(elettroni di valenza), messi in condivisione dai singoli atomi (legame metallico). Il
movimento di tali elettroni è disordinato e casuale. Se però sottoponiamo una barretta di
tale materiale ad una differenza di potenziale, gli elettroni assumeranno un movimento
ordinato dall’estremità in cui il potenziale è minore all’estremità con potenziale maggiore.
Si ha in tal modo una corrente elettrica e la barretta diviene un conduttore elettrico.
Maggiore è la tensione applicata, maggiore è l’intensità di corrente (misurata in
Ampere). Dallo studio di tale fenomeno sono state ricavate le due leggi di Ohm:
¾ alla corrente elettrica il filo conduttore oppone una resistenza (misurata in Ohm)
data dalla seguente espressione:
dove:
¾
¾
¾
¾
¾
R indica la resistenza;
l indica la lunghezza del conduttore;
S indica la sezione del conduttore;
ρ indica la resistenza specifica di ogni materiale
la resistenza elettrica rappresenta la costante di proporzionalità fra la tensione
applicata (V) e l’intensità di corrente (I):
I = V/R
Gli elettroni muovendosi svolgono un lavoro quindi sono portatori di energia data dalla
relazione:
E = W t = V I t = R I2 t
Tale energia si può trasformare in altra forma: la conversione più semplice è quella in
energia termica (effetto Joule).
La corrente può essere:
¾ continua: il flusso di elettroni si muove sempre nello stesso verso con tensione e
intensità di corrente che si mantengono costanti. Viene facilmente accumulata
(negli accumulatori) mentre è difficilmente trasportata. Alla corrente continua è
associata una potenza elettrica P = V I = R I2;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 23
Maines Fernando
¾ alternata: il flusso di elettroni è dotato di moto oscillatorio dato che tensione V ed
intensità di corrente I sono sfasate e variano con periodicità sinusoidale con una
frequenza (numero di cicli compiuti nell’unità di tempo) misurata in Hz (hertz)6.
Non è accumulabile ma è più facile da produrre; maggiore è anche l’efficienza
nel trasporto lungo ampie distanze e, se necessario, è facilmente trasformabile in
corrente continua tramite l’utilizzo di “raddrizzatori”. E’ anche molto più
semplice cambiare i valori di tensione o di corrente con una minima dispersione
di energia. Alla corrente alternata è associata una potenza elettrica P = V I cosφ =
R I2 cosφ dove φ rappresenta l’angolo di sfasamento fra V e I mentre cosφ (fattore
di potenza) assume un valore fra 0,2 ÷ 0,3 (funzionamento a vuoto) e 0,8 ÷ 0,9
(funzionamento a pieno carico).
È continua se gli elettroni vanno sempre in una stessa direzione, è alternata se gli
elettroni cambiano il loro senso di direzione.
Alla corrente elettrica sono associati fenomeni molto importanti descritti dai seguenti
tre principi:
¾ ad ogni carica elettrica in movimento (corrente elettrica) è associato un campo
magnetico che unito al campo elettrico formano un campo elettromagnetico;
¾ un conduttore percorso da corrente posto in un campo magnetico risente di una
forza perpendicolare alle linee del campo magnetico e di intensità proporzionale
all’intensità del campo magnetico;
In Italia la corrente all’utilizzo ha una tensione di 230 V (monofase o trifase) o di 400 V (trifase) ed una
frequenza di 50 Hz.
6
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 24
Maines Fernando
¾ in un conduttore che risente di un campo magnetico variabile7 viene indotta una
differenza di potenziale (indicata in questo caso come forza elettromotrice) che
induce nel conduttore una corrente elettrica, detta appunto indotta. L’intensità
della forza elettromotrice indotta (f.e.m.) dipende dalla posizione del conduttore
(generalmente conformato a spira) rispetto al campo magnetico. Nel caso di una
spira che ruota, l’andamento della f.e.m. risulta sinusoidale.
7
La variabilità del campo magnetico induttore può derivare da due diverse configurazioni:
¾ conduttore fermo in un campo magnetico variabile;
¾ conduttore in movimento in un campo magnetico costante.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 25
Maines Fernando
4 Generatori elettrici
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 26
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 27
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 28
Maines Fernando
I generatori elettrici sono macchine che producono energia elettrica sfruttando energia
meccanica derivante da fonti rinnovabili come il sole, la combustione di biomasse,
l’energia idraulica e l’energia geotermica o anche energia primaria non rinnovabile come i
combustibili fossili e l’uranio. I generatori si differenziano dai motori in quanto i motori
utilizzano qualsiasi tipo di energia e restituiscono energia meccanica, mentre i generatori
restituiscono energia elettrica o termica a partire da energia meccanica derivante da
un’energia primaria (rinnovabile o non rinnovabile).
I generatori elettrici alimentati con motori termici hanno un rendimento totale
abbastanza basso, circa del 35%, mentre le centrali idro-elettriche hanno rendimenti molto
più alti, circa 60%.
I generatori sono costituti da due parti principali:
¾ lo statore, che è fisso in quanto collegato al telaio della macchina;
¾ il rotore, che invece è in movimento ed è un organo portato dall’albero rotante.
Sia lo statore che il rotore presentano dei conduttori disposti secondo degli
avvolgimenti che in funzione del compito svolto, prendono il nome di circuito induttore e
circuito indotto.
Il circuito induttore ha il compito di produrre un campo magnetico. Generalmente si
utilizza un elettrocalamita costituita da un nucleo di materiale ferroso sul quale viene
avvolto un conduttore. Quando questo viene percorso da corrente il nucleo si trasforma in
una calamita in grado di creare il campo magnetico necessario.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 29
Maines Fernando
Nel circuito indotto nasce una forza elettromotrice, che andrà a costituire la nostra
corrente elettrica. Per il principio dell’induzione magnetica è necessario che il circuito
indotto risenta di un campo magnetico variabile. La variabilità è ottenuta grazie alla
rotazione del rotore rispetto allo statore.
Esistono due tipi di generatori: gli alternatori che producono corrente alternata e le
dinamo che producono corrente continua.
4.1 Generatori di corrente continua (dinamo)
Nella dinamo lo statore è l’induttore, con il compito di generare il campo
elettromagnetico, mentre gli avvolgimenti del rotore, muovendosi all’interno di un campo
magnetico, diventano sede di forze elettromotrici indotte (circuito indotto).
Nel corso della rotazione, gli avvolgimenti del rotore sono interessati da una corrente
positiva durante mezzo giro e negativa durante l’altro mezzo giro. Per ottenere in uscita
una corrente uniforme (continua) occorre un dispositivo che inverta il flusso di corrente in
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 30
Maines Fernando
uscita dal generatore nel corso di ogni
rotazione detto commutatore costituito
da un anello metallico diviso in due
parti isolate tra loro. Questo è collegato
con l’albero del rotore attraverso un
contatto strisciante con due spazzole (di
metallo o carbone); scambiando i capi
della spira ogni mezzo giro le spazzole
raccolgono
la
corrente
prodotta
mantenendo la tensione in uscita sempre
dello stesso. In realtà le spire sono
moltissime ed il commutatore è formato
da un insieme di lamine poste una vicina
all’altra e fra loro isolate, ciascuna collegata ad un gruppo di spire. La corrente risultante è
così formata da n correnti pulsanti ma sfalsate la cui risultante è praticamente continua
4.2 Generatori di corrente alternata (alternatori)
Negli alternatori solitamente il rotore porta il circuito induttore, nel quale, cioè, viene
generato un campo elettromagnetico rotante e pertanto recepito variabile dagli
avvolgimenti elettrici del circuito posto nello statore (indotto) nei quali verrà generata la
forza elettromotrice indotta che sosterrà la corrente elettrica. Il rotore, generalmente a
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 31
Maines Fernando
forma di stella con n poli, è interessato da n8 avvolgimenti di eccitazione alimentati
attraverso spazzole striscianti su collettori a lamelle9 posti sull’albero del rotore, che hanno
il compito di raccogliere ed immettere negli avvolgimenti induttori la corrente continua
necessaria per creare il campo elettromagnetico.
Nello statore sono presenti 1 o 3 avvolgimenti (indotti). Ogni singola spira del circuito
indotto è percorsa per mezzo giro da una corrente circolante in una direzione e per l’altra
metà nell’altra con un andamento sinusoidale. A seconda del numero di avvolgimenti
sullo statore e dall’angolo che intercorre tra di essi si otterrà corrente alternata trifase o
monofase.
Il valore della frequenza è dato dalla seguente formula:
ν = (numero poli *n° giri) / 60
Dovendo la frequenza essere costantemente pari a 50 Hz ed essendo il numero di poli
una costante architettonica dell’alternatore, significa che il generatore deve operare
mantenendo costantemente una ben precisa velocità di rotazione.
8 All’aumentare delle fasi aumenta la potenza prodotta ma anche la complessità architettonica
dell’alternatore.
9Sottili anelli di rame isolati tra loro fissati sull’albero del generatore
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 32
Maines Fernando
5 I motori elettrici
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 33
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 34
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 35
Maines Fernando
I motori elettrici sono dei dispositivi capaci di trasformare la corrente elettrica in
energia meccanica. Rispetto ai motori endotermici presentano diversi vantaggi per quanto
riguarda i seguenti aspetti:
¾ installazione: risulta molto semplice, anche per la semplicità costruttiva che
contraddistingue questi motori;
¾ manutenzione molto contenuta;
¾ costo ridotto;
¾ alto rendimento: si possono raggiungere anche rendimenti del 90-95%;
¾ compattezza e dimensioni contenute;
¾ sicurezza: in particolare nel caso dei motori ermetici, completamente chiusi
rispetto all’esterno.
Il difetto principale dei motori elettrici è rappresentato dalla difficoltà di applicare tali
propulsori a macchine funzionanti a punto fisso. Infatti è necessario usare motori
alimentati a corrente continua accumulata in apposite batterie; inoltre la caratteristica
intrinseca dei motori elettrici a funzionare con un regime di rotazione tendenzialmente
costante rende più difficile l’utilizzo di tali motori per macchine, come le trattrici, il cui
funzionamento richiede una variazione continua della velocità.
La classificazione più importante suddivide i motori elettrici in funzione del tipo di
corrente elettrica di alimentazione.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 36
Maines Fernando
Il motore a corrente continua (brevemente detto CC) è stato il primo motore elettrico
realizzato, ed è tuttora ampiamente utilizzato per piccole e grandi potenze. Sono a
corrente continua (o comunque alimentabili in corrente continua) numerosi motori di
piccola potenza per usi domestici, come anche motori per trazione ferroviaria e marina
della potenza di molte centinaia di kW. I motori a corrente continua sono l’inverso della
dinamo e possono arrivare anche a un rendimento del 90%. Lo statore è l’induttore che
produce il campo magnetico ed è formato da un nucleo lamellato con attorno degli
avvolgimenti. Il rotore è l’indotto cioè la parte di circuito che deve sentire la forza per
muoversi. In questo modo nasce una coppia motrice che muove la spira per 90°, questa si
ferma ma vengono messe più spire cosi da far nascere più forze motrici nello stesso
momento. E’ inoltre presente un collettore (su cui strisciano due spazzole) formato da una
serie di lamelle, fra loro isolate, ciascuna collegata con una serie di avvolgimenti. I motori
elettrici a corrente continua si suddividono in motori in serie e motori in derivazione, a
seconda del numero di circuiti che alimentano il campo magnetico e l’indotto.
I motori a corrente continua in serie si caratterizzano per la presenza di un singolo
avvolgimento per il rotore e lo statore in modo che la stessa corrente alimenta il campo
magnetico e l’indotto. In questo caso la velocità di rotazione è inversamente proporzionale
al carico, che significa assicurare un’elevata coppia
motrice all’avviamento (ciò determina la necessità
di predisporre di una resistenza variabile o
reostato per partenze a vuoto). Questo tipo di
motore è ideale per la trazione, possono essere
utilizzati per esempio per carrelli elevatori;
Nei motori a corrente continua in derivazione
invece i circuiti sono “autonomi” e quindi ci sono
due circuiti indipendenti.
I motori a corrente alternata10 si possono
suddividere in sincroni e asincroni.
10 La corrente alternata è caratterizzata da un flusso di corrente variabile nel tempo sia in intensità che in
direzione. Normalmente la corrente elettrica viene distribuita sotto forma di corrente alternata a frequenza
costante di 50 Hz (il + e il – si alternano ogni cinquantesimo di secondo). La distribuzione in corrente
alternata si è dimostrata più efficiente (minore perdita di potenza lungo la linea) della corrente continua.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 37
Maines Fernando
Il motore sincrono, conosciuto anche come motore vettoriale o motore Rowan, è un tipo
di motore elettrico in corrente alternata in cui il periodo di rotazione è sincronizzato con la
frequenza della tensione di alimentazione, solitamente trifase ed è l’inverso
dell’alternatore. È costituito da un rotore su cui sono presenti diversi poli magnetici di
polarità alterna creati da magneti permanenti o elettromagneti alimentati con la corrente, e
da uno statore, con tre avvolgimenti del circuito di alimentazione attorno a tre espansioni
polari. Queste creano un campo magnetico rotante che trascina le espansioni polari del
rotore. La frequenza di rotazione dipende dalla frequenza di alimentazione (ad esempio in
Italia è 50 Hz) e pertanto i motori sincroni devono girare con velocità rigorosamente
costante con qualsiasi carico. L’avviamento di questo tipo di motore è relativamente
complesso. Per questo il suo uso con alimentazione diretta è limitato a campi di
applicazione dove è richiesta una velocità di rotazione precisa e stabile. È invece molto
usato per azionare carichi a velocità variabile se alimentato da un convertitore statico
(inverter). In agricoltura non sono molto utilizzati.
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza
di rotazione non è uguale alla frequenza di rete o ad un sottomultiplo, ovvero non è
sincrono con essa. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione per il suo
principio di funzionamento. Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una
parte mobile detta rotore, ambedue di forma cilindrica. In ambedue le parti sono praticati
dei fori o delle scanalature parallele all’asse del cilindro, detti cave, destinati ad ospitare
gli avvolgimenti11. Quest’ultimi sono tre e quindi sono presenti tre correnti alternate
sfasate di 120°. Gli avvolgimenti formano dei poli ed il campo magnetico rotante risultante
avrà intensità costante e ruoterà costantemente. Il rotore ha un numero di avvolgimenti
pari a quelli dello statore quindi ha gli stessi poli dello statore, normalmente due per
ciascuna fase di alimentazione. Un motore a tre fasi, o trifase, avrà di norma, pertanto,sei
avvolgimenti ovvero tre coppie polari. I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono
collegati in serie e disposti l’uno di fronte all’altro. Le coppie polari sono alimentate da
una terna di correnti sinusoidali sfasate di 120° che producono un campo magnetico
complessivo che ruota nello spazio (al principio di Galileo Ferraris).
La rotazione del campo magnetico prodotto dallo statore avviene ad una velocità fissa
n, detta velocità di sincronismo, legata alla frequenza di alimentazione f. La velocità di
11 Talvolta,
in particolare nei motori di potenza medio bassa, il rotore assume una struttura semplificata a
“gabbia di scoiattolo” in cortocircuito.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 38
Maines Fernando
rotazione del rotore nr sarà sempre minore di quella di sincronismo. Questa differenza fa
sì che il rotore “veda” un campo magnetico che ruota, pertanto esso sarà sede di forze
elettromotrici e quindi correnti indotte. Le correnti di rotore produrranno a loro volta un
campo magnetico che ruota a velocità n-nr rispetto al rotore il quale ruota a velocità nr
rispetto allo statore; il risultato è che il campo di rotore ruota a velocità n rispetto allo
statore ed è dunque sincrono con il campo di statore. Tale condizione di sincronismo tra le
due onde di campo magnetico assicura che il motore produca una coppia costante. La
situazione in cui n=nr, cioè velocità di rotore uguale a quella di sincronismo, è una
condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici e dunque la coppia motrice è zero.
Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f di alimentazione ed il numero di coppie
polari p è espresso dalla relazione:
f
n = 60
p
Dove n è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Herzt. Per esempio
un motore con tre coppie polari (6 poli totali), alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare
di sincronismo di 1000 giri al minuto. La velocità del rotore in condizioni nominali è
sempre minore di un 3 ÷ 6%; è questo il fenomeno dello scorrimento che consente la
produzione della coppia. Dalla formula dello scorrimento si può ottenere la velocità di
rotazione effettiva del rotore (nr):
s=
(n − nr )
n
Il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non
è mai nullo perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito tra le parti mobili e con l’aria
che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo.
I motori asincroni sono frequentemente alimentati da inverter elettronici che possono
variarne la velocità variando in modo coordinato la frequenza e la tensione
d’alimentazione. L’uso di inverter permette di azionare il motore anche a partire da una
corrente continua, come avviene nella trazione ferroviaria. Esistono motori asincroni di
potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con tensioni monofase. Tali motori
possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi, dove per alimentare la seconda
fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un condensatore.
In generale sono motori ad alto rendimento che sotto carico arriva ad 80 ÷ 85 % per i
piccole potenze installate, fino a 90 ÷ 95 % per elevate potenze installate. Utilizzati
principalmente per utilizzi a punto fisso, sono anche facilmente invertibili.
In conclusione ricordiamo che i motori elettrici, in base alla loro struttura, possono
essere suddivisi nei seguenti gruppi:
¾ a carcassa ermetica, utilizzati per lavorare in luoghi bagnati come ad esempio
pozzi; gli avvolgimenti in questo caso, sono ricoperti da resine che garantiscono
un’ottima protezione dall’acqua e dagli agenti atmosferici;
¾ a carcassa chiusa, creati per la sicurezza e per evitare incidenti in posti in cui
l’affluenza di persone vicino al motore è alta;
¾ a carcassa aperta, per evitare surriscaldamenti e conseguenti rotture del motore
nei luoghi caldi e per lavori che richiedono una continuità del lavoro del motore.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 39
Maines Fernando
6 I generatori eolici ed i generatori idraulici
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 40
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 41
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 42
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 43
Maines Fernando
Vengono ora prese in esame due tra le principali forme di energia rinnovabile sfruttate
dall’uomo: l’energia eolica e idraulica.
6.1 I generatori eolici
L’energia eolica è il prodotto della conversione dell’energia cinetica del vento in altre
forme di energia. E’ stata la prima fonte energetica rinnovabile usata dall’uomo mediante
applicazioni dirette sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e preindustriali.
Quella eolica è una fonte energetica gratuita ma che si caratterizza per la discontinuità,
la variabilità e l’aleatorietà. Inoltre non sono frequenti le aree dove il vento possiede
l’intensità e la durata sufficienti per rendere conveniente l’investimento, tenuto conto
anche che il rendimento di trasformazione in energia meccanica è generalmente basso.
Attualmente, comunque, è la prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto
costo/energia prodotta e viene per lo più convertita in energia elettrica tramite una
centrale eolica. Questa è costituita da un motore eolico in grado di sfruttare l’energia
cinetica del vento per trasformarla in energia meccanica, trasformata mediante un
generatore, in energia elettrica. Nel caso di corrente alternata si dovrà predisporre di una
collegamento ad una rete di trasmissione, mentre nel caso di generatori a corrente
continua diventa necessario un sistema di accumulatori.
Esistono vari tipi di motori eolici, e si differenziano l’uno dall’altro per la loro
complessità, e quindi per il rendimento: infatti i motori più complessi sono quelli con
rendimento maggiore (si arriva circa fino al 40%).
In agricoltura i generatori eolici possono essere utilizzati anche per il pompaggio
dell’acqua oppure, mediante un sistema di pale rotanti in serbatoi di acqua, per
trasformare l’energia meccanica in energia termica. Entrambi i sistemi si caratterizzano per
i rendimenti molto bassi.
Vi sono due tipi di generatori eolici:
¾ ad asse orizzontale;
¾ ad asse verticale. si caratterizzano per la struttura più semplice e per rendimenti
minori (inferiori al 20 %) rispetto ai generatori ad asse orizzontale.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 44
Maines Fernando
Gli impianti mini-eolici (con potenza da 0,5 kW fino a 20 kW)
sono oggi un sistema economico e potente per autoprodurre
energia elettrica, purché sia disponibile un sito idoneo
caratterizzato da una velocità media annua di almeno 5 ÷ 6
metri al secondo12, soprattutto da quando è stato reso possibile
l’immissione dell’energia non consumata in rete. Si tratta
generalmente di macchine a girante ad asse orizzontale con
diametro che varia tra 1 e 5 metri montate su torri di 10 ÷ 20 m,
collegate ad un generatore elettrico a corrente continua. Nel
caso di collegamento alla rete (corrente alternata a 50 Hz e 230
V) è necessaria la presenza di un inverter. La verifica di
fattibilità ed il dimensionamento dell’impianto eolico devono essere fatti in modo
approfondito da tecnici specializzati tenendo conto,
oltre al fabbisogno energetico dell’utenza espresso
mediante il profilo orario di consumo, delle
caratteristiche locali del vento sia nel corso delle
stagioni sia nel corso della giornata. Si parte
dall’unico indice disponibile "a priori" che è la
producibilità teorica con vento a 10 m/s, in
funzione del diametro del rotore13, per giungere a
considerazioni più puntuali in riferimento alla
tecnologia scelta ed alle caratteristiche specifiche del
sito (andamento plano-altimetrico, presenza di
ostacoli, variabilità del vento in intensità ed in
direzione). In generale la potenza disponibile cresce (con un andamento più che lineare)
12 Per verificare la qualità e la quantità di vento di un sito è necessario effettuare preventivamente una
corretta analisi anemometrica che, purtroppo, comporta ancora costi rilevanti.
13 Indicativamente con un rotore di diametro 5 m e un vento di velocità 10 m si può produrre una potenza
di circa 10 kW.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 45
Maines Fernando
con l’intensità del vento e con l’altezza da terra del rotore. In tal modo viene limitato
l’effetto di disturbo degli ostacoli circostanti ed è possibile sfruttare venti più stabili come
direzione; inoltre si limita lo stress del timone e delle parti mobili del generatore. I piccoli
generatori si caratterizzano, a differenza di quelli di grandi dimensioni, per una
rumorosità contenuta, non superiore ai 50 dB, accompagnata inoltre da un effetto di
mascheramento dovuto al rumore stesso del vento. Altri aspetti vantaggiosi sono la
costanza dell’efficienza, una longevità stimata in 30 anni, una estrema facilità di
installazione (non è necessario nessun tipo di infrastruttura14) e costi di investimento
abbastanza contenuti (intorno ai 2.000÷3.000 € per kW installato). Per quanto riguarda la
manutenzione bisogna curare la tenuta delle strutture di ancoraggio della torre e
l’elasticità del timone di orientazione (che serve sia ad inseguire la direzione del vento che
a porre il generatore in sicurezza in presenza di venti troppo forti).
6.2 I generatori idraulici
I generatori idraulici hanno una tradizione secolare soprattutto nelle zone di montagna
dove l’acqua che scendeva dai torrenti veniva usata per azionare le ruote ad acqua o
mulini, che sfruttavano l’energia cinetica dell’acqua trasformandola in energia meccanica
utilizzata per l’azionamento di macchinari dedicati alla macinazione dei cereali, al taglio
del legname o alla lavorazione dei metalli.
Vi sono due tipi di ruote ad acqua: per di sotto e a cassetta.
¾ le ruote per di sotto funzionano con grandi portate d’acqua in grado di trascinare
in rotazione la ruota anche in assenza di un salto;
¾ a cassetta: venivano utilizzate quando era disponibile un salto sufficiente (da 3 a
10 m) a sopperire alla mancanza di portate significative.
14 L’installazione di generatori eolici dal diametro massimo di 1 metro e da un’altezza complessiva di 1,5
metri sono assimilati a un intervento di manutenzione ordinaria, quindi non sono richieste autorizzazioni di
alcun tipo.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 46
Maines Fernando
Col passare del tempo i miglioramenti tecnologici hanno portato alla messa a punto
delle turbine idrauliche, dispositivi che sfruttano l’energia dell’acqua per produrre energia
meccanica, con rendimento molto maggiore pero rispetto alle ruote idrauliche, destinata
alla produzione di energia elettrica (grazie all’accoppiamento della turbina con un
generatore elettrico).
Le turbine si suddividono in diverse tipologie:
¾ turbine Pelton: sono turbine ad azione che funzionano con modeste quantità
d’acqua, purché questa abbia a disposizione un salto compreso fra i 50 ed i 1300
m totali15. Uno o più ugelli e una o due giranti, installate su un asse verticale o
orizzontale, trasformano la pressione dell’acqua in energia meccanica. Ogni
ugello, grazie ad una valvola a spillo che permette la regolazione del flusso
d’acqua, crea un getto che va a colpire un cucchiaio di forma particolare fissato
sulla ruota girante della turbina stessa. Più è alta la pressione di uscita dall’ugello
e più potenza meccanica l’acqua restituisce al cucchiaio imprimendo forza sulla
girante della turbina che raggiunge alte velocità. La turbina poi, accoppiata
attraverso un regolatore di giri, restituirà l’energia meccanica al generatore il
quale la trasforma in energia elettrica;
¾
Il loro utilizzo classico è nelle zone di montagna o di collina, dove esistono delle possibilità di
sfruttamento di grossi salti d’acqua a fronte di portate idriche normalmente limitate.
15
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 47
Maines Fernando
¾ le turbine Turgo sono turbine ad azione, di costruzione simile alla Pelton, che
possono lavorare con salti tra i 15 ed i 300 m. Rispetto alla Pelton ha pale con
forma e disposizione diverse ed il getto colpisce simultaneamente più pale,
similmente alle turbine a vapore. Il minor diametro necessario comporta, a parità
di velocità periferica della girante, una maggiore velocità angolare, che consente
quindi l’accoppiamento al generatore senza il moltiplicatore, con conseguente
diminuzione dei costi ed aumento dell’affidabilità. Non diffusa in Italia, bensì nel
resto dell’Europa, i costruttori la consigliano per situazioni con notevole
variazioni di afflussi ed acque torbide;
¾ le Banki-Michell (dette anche a flusso incrociato o turbine Ossberger (il nome
della ditta che la fabbrica da più di 50 anni)
sono turbine ad azione che si utilizzano
con una gamma molto ampia di portate e
salti tra 5 m e 200 m. Il loro rendimento
massimo è inferiore all’87%, però si
mantiene quasi costante fino a portate pari
al 16% di quella nominale (può
raggiungere una portata minima teorica
inferiore al 10% della portata di progetto).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 48
Maines Fernando
L’acqua entra nella turbina grazie ad un sistema di distribuzione e finisce in un
primo stadio della ruota palettata che funziona quasi totalmente sommersa.
Successivamente il flusso d’acqua, una volta abbandonato il primo stadio, cambia
direzione e finisce in un secondo stadio della turbina il quale è totalmente “ad
azione”. La ruota della turbina è costruita da dischi paralleli tra i quali si
montano le pale costituite da alette in lamiera semplicemente piegate. La forma
della ruota ricorda quella di un sistema di ventilazione tangenziale. La
costruzione molto semplice favorisce la possibile costruzione artigianale delle
turbine Banki, garantendone facilità di manutenzione e di ricambio;
¾ turbine Kaplan: richiedono grosse quantità d’acqua (maggiore di 15 m3/s) con
poco salto, in modo da avere pochi giri ma una coppia elevata;
¾ turbine Francis: richiedono salti d’acqua e portate
non troppo elevate, rappresentando la situazione
intermedia fra Pelton e Kaplan. Attualmente le
turbine Francis sono le maggiormente utilizzate.
Le micro centrali idroelettriche rappresentano una fonte
rinnovabile compatibile con l’ambiente, ancora ampiamente
da sfruttare e comprende gli impianti inferiori ai 100 kW di
potenza e fino a pochi kW16. E’ sufficiente avere salti di 7 ÷ 20
metri con poca o pochissima portata o piccoli salti con buona e
costante portata d’acqua per poter erogare corrente elettrica in
maniera costante nel tempo. Nonostante il basso impatto
ambientale non si deve dimenticare che in molti casi si tratta di acqua potabile che
rappresenta una risorsa sempre più preziosa. Si possono utilizzare tre tipi di micro turbine
idroelettriche, che si adattano a diverse tipologie di installazione, in funzione della
prevalenza (salto d’acqua) e della portata.
16
Esistono in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, a partire da 0,2 kW di potenza, facilmente
installabili in moltissime situazioni con salti e portate minime.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 49
Maines Fernando
7 Introduzione alle pompe
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 50
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 51
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 52
Maines Fernando
Una pompa è un dispositivo meccanico in grado di trasformare l’energia meccanica in
energia potenziale o cinetica (velocità, pressione, dislivello) e di fornirla ad un liquido o ad
un gas (si parla, in questo caso di compressore) al fine di superare un certo dislivello e per
conferire una spinta.
Esistono molte tipologie di pompe la cui scelta dipende da diversi fattori:
¾ tipo e caratteristiche del fluido;
¾ tipo di operazione da effettuare (travaso, alimentazione filtro, …);
¾ dislivello da superare;
¾ velocità di efflusso;
¾ portata (volume passante nell’unità di tempo).
¾ In funzione della posizione rispetto al pelo libero dell’acqua si possono avere:
¾ pompe in aspirazione: la pompa ha il centro di aspirazione sopra il pelo libero
del liquido e pertanto opera sia un’azione di aspirazione che di spinta;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 53
Maines Fernando
¾ pompe sottobattenti: la pompa ha il
centro di aspirazione sotto il pelo
libero del liquido e perciò opera solo
un’azione di spinta. Il riempimento,
sia nel caso di pompe sommerse che
asciutte, avviene per il principio dei
vasi comunicanti.
Infine
si
distinguono
le
pompe
autoadescanti, le quali riescono ad aspirare
anche se sono vuote, dalle pompe non
autoadeascanti che aspirano solo se sono
piene.
7.1 La potenza
La potenza di una pompa è data dalla seguente formula:
P=
γ ⋅ Q ⋅ Ht
1000 ⋅ η
dove:
¾ P è la potenza assorbita espressa in kW;
¾ γ è il peso specifico del fluido espresso in N/m3;
¾ Q è la portata espressa in m3/s;
¾ Ht è la prevalenza totale espressa in m;
¾ η è il rendimento (numero puro).
Nel caso di fluidi con massa volumica (densità) unitaria la formula precedente diventa:
P=
Q ⋅ Ht
102 ⋅η
La potenza così espressa è la potenza assorbita. Tale valore si discosta (è maggiore)
della potenza utile cioè di quella strettamente necessaria per sollevare la portata di fluido
Q all’altezza Hg (prevalenza geodetica pari al dislivello fisico da superare che, come
vedremo, differisce dalla Ht).
Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita è definito rendimento. Il rendimento è
sempre inferiore all’unità perché in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile è
sempre minore di quella assorbita. La causa principale è data dalle inevitabili perdite di
carico, ma anche dagli attriti meccanici (rendimento meccanico) e dalle perdite di fluido
(rendimento idraulico e rendimento volumetrico).
Il valore della potenza assorbita deve, infine, essere aumentato di circa il 30 % per
assicurare alla pompa di superare eventuali sovraccarichi dovuti a situazioni contingenti
in modo da garantire una certa flessibilità di funzionamento.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 54
Maines Fernando
7.2 La prevalenza
Si definisce prevalenza delle pompe l’energia per unità di peso che la pompa deve
fornire al fluido perchè appunto svolga il compito previsto: superare un dislivello,
acquistare una certa velocità e/o una certa pressione. L’unità di misura è il metro in
quanto:
H = prevalenza =
energia J N * m
= =
=m
peso
P
N
La prevalenza totale (Ht) è data da diverse componenti come indicato dalla seguente
espressione:
⎡ v2 P ⎤
Ht = H g + ⎢
+ ⎥ + ∑Y
⎣ 2g γ ⎦
dove:
¾ Hg = prevalenza geodetica, corrispondente all’energia potenziale necessaria per
superare il dislivello. Essa si suddivide in due parti:
• prevalenza geodetica di aspirazione Ha, (solo per pompe in aspirazione)
corrispondente alla distanza dal pelo libero del primo fluido al baricentro
della pompa. Nel caso dell’acqua teoricamente non possono superare i
teorici 10,33 m, mentre in realtà non si riesce a superare i 6 ÷ 7 m;
• prevalenza geodetica di mandata Hm, che corrisponde alla distanza dal
baricentro della pompa fino al pelo libero finale.
2
⎡v ⎤
¾ ⎢ ⎥ = energia cinetica, ovvero pressione cinetica, per fornire al fluido velocità
⎣ 2g ⎦
di efflusso;
⎡P⎤
¾ ⎢ ⎥ = pressione di efflusso, quando si opera in sovrappressione;
⎣γ ⎦
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
¾
∑ y = perdite
pag. 55
Maines Fernando
di carico che il liquido subisce nel corso del suo tragitto. Si
possono suddividere in:
• perdite d’energia distribuite (o continue) dovute alle resistenze (attriti
tubo-fluido e attriti fluido-fluido) che i liquidi o i gas, scorrendo dentro le
tubazioni, devono vincere per mantenersi in moto. Si misurano mm di
colonna di fluido per m di tubazione oppure m/km, mentre l’entità di tali
perdite, riportate su apposite tabelle o abachi predisposti dai produttori,
dipende da molti fattori (oltre al tipo di fluido) sintetizzati nella seguente
formula:
C ⋅ D ⋅V 2
Y=
S
dove:
C rappresenta il coefficiente di scabrezza che tiene conto del materiale
e del grado di rifinitura delle pareti interne del tubo (si deve tener
conto che tale caratteristica va peggiorando con il passare del tempo);
ƒ D rappresenta il diametro bagnato del tubo;
ƒ V rappresenta la velocità del fluido trasferito (se la velocità del fluido
raddoppia, la dispersione d’energia quadruplica).
perdite d’energia localizzate (o concentrate): sono dovute a variazioni di
sezione non graduali e ben raccordate (bruschi restringimenti e/o
allargamenti), brusche deviazioni di direzione, inserimento lungo le
tubazioni di pezzi speciali (saracinesche, rubinetti e valvole a sfera o a
farfalla, raccordi, filtri, strumenti di misura, …). Possono essere quantificate
con espressioni del tipo:
V2
y=k⋅
dove:
2g
ƒ k rappresenta un coefficiente che tiene conto dei cambi di sezione, di
direzione, ecc. .
ƒ
•
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 56
Maines Fernando
In generale le perdite di carico localizzate devono essere quantificate pezzo per pezzo
utilizzando i valori calcolati sperimentalmente dai produttori e riportati su apposite
tabelle e diagrammi, ed espressi in lunghezza di tubazione equivalente (in m) per
valutarne l’entità nelle perdite distribuite. Per una valutazione in prima approssimazione,
le perdite localizzate si possono quantificare pari al 10 % delle perdite distribuite.
7.3 Curve caratteristiche
Le curve caratteristiche rappresentano, per una specifica categoria di pompe
l’andamento di prevalenza, potenza assorbita e rendimento in funzione della portata.
Questi grafici consentono di scegliere, in base alla portata e alla prevalenza, i modelli
che assicurano il rendimento massimo. Eccone alcuni esempi.
7.4 Classificazione generale delle pompe
Le pompe si suddividono in due grandi gruppi:
¾ pompe volumetriche (lavorano attraverso variazioni del volume a disposizione
del fluido; si suddividono a loro volta):
• pompe a moto alternativo:
• a stantuffo;
• a membrana.
¾ pompe a moto rotativo:
• pompe a ingranaggi;
• a lobi;
• a palette rigide;
• a girante deformabile;
• a vite, a vite eccentrica o Mohno;
• peristaltiche;
• a girante ellittica;
• a pistoni rotanti.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 57
Maines Fernando
pompe centrifughe (trasferiscono energia al fluido sotto forma di velocità per la veloce
rotazione della girante): si dividono in pompe centrifughe non adescanti e pompe
centrifughe adescanti (pompe ad anello liquido e pompe a canale laterale).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 58
Maines Fernando
8 Le pompe volumetriche
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 59
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 60
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 61
Maines Fernando
Le pompe di tipo volumetrico sfruttano la variazione di volume o lo spostamento di
una camera per provocare un’aspirazione o una spinta sul fluido.
Possiamo trovare diversi tipi di pompe volumetriche:
¾ pompe alternative:
• a pistoni;
• a membrana.
¾ pompe rotative:
• pompe a ingranaggi;
• a lobi;
• a palette rigide;
• a girante deformabile;
• a vite, a vite eccentrica o Mohno;
• peristaltiche;
• a girante ellittica;
• a pistoni rotanti.
Le pompe alternative si caratterizzano per le seguenti caratteristiche:
¾ portate medio-basse;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 62
Maines Fernando
pressioni elevate;
basso numero di giri (300 ÷ 500);
elevati rendimenti;
versatilità di funzionamento;
architettura complessa per la presenza di valvole e di sistema per la
trasformazione del moto da rotativo a rettilineo alternato.
Le pompe rotative invece presentano:
¾ portata continua; regimi di rotazione medio-alti (1000 ÷ 3000 giri);
¾ pressioni discrete;
¾ buoni rendimenti.
In generale sono pompe autoadescanti, facilmente invertibili e munite di variatore di
velocità mediante inverter per modificare la portata.
¾
¾
¾
¾
¾
8.1 Pompe alternative a pistoni
La variazione di volume è ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un
cilindro; apposite valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne
impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone. In generale si tratta di
pompe aspiranti-prementi a doppio effetto in quanto il pistone compie lavoro sia
all’andata che al ritorno, grazie alla presenza di due camere di compressione e di quattro
valvole (due di aspirazione e due di mandata).
La trasformazione di un moto rotativo del motore in un moto alternativo del pistone,
viene realizzata con un dispositivo chiamato biella-manovella. Di conseguenza il pistone
crea all’intero del cilindro depressione e compressione, che producono rispettivamente
l’aspirazione e la mandata. La portata risulta pulsante con un andamento tendenzialmente
sinusoidale. Tale inconveniente può essere attenuato con due possibili soluzioni:
l’adozione di più pistoni funzionanti in modo sfalsato e/o inserimento sulla mandata di
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 63
Maines Fernando
un dispositivo smorzante (polmone) costituito da una camera metallica munita di
membrana che isola un volume occupato da aria in pressione. La membrana e l’aria
assorbono parte dell’energia di pressione presente nel flusso di fluido in fase di mandata e
la restituisce in fase di aspirazione.
Le pompe a pistoni sono in grado di assicurare portate e prevalenze elevate. Sono inotre
sempre autoadescanti, cioè non hanno bisogno di essere riempite preventivamente di
liquido e sono quelle che nel settore enologico si utilizzano per la maggior parte.
8.2 Pompe alternative a membrana
Una variazione sullo stesso
principio della pompa a
stantuffo è la pompa a
membrana, in cui la variazione
di
volume
è
data
dall’oscillazione
di
una
membrana (bloccata lungo la
sua periferia) che chiude un
lato di una camera. Il vantaggio
di questa soluzione è l’assoluta
impermeabilità ottenuta con
l’eliminazione dello scorrimento tra parti. Il movimento può essere impresso alla
membrana per via meccanica, oppure introducendo e rilasciando aria compressa in una
camera opposta a quella di pompaggio. La pressione massima è limitata dalla resistenza
del materiale che costituisce la membrana, solitamente gomma.
Sono utilizzate per portate piccole e medie, prevalenze medie e alte.
A = valvole a sfera
B = camera di pompaggio
C = membrane
D = collettore di aspirazione
E = collettore di mandata
F = motore pneumatico
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 64
Maines Fernando
8.3 Pompe rotative ad ingranaggi
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dall’ingranamento di due
ruote dentate, una motrice ed una condotta che devono essere perfettamente aderenti alla
camera di contenimento. Per questo motivo sono pompe adatte a elaborare esclusivamente
liquidi viscosi.
Le portate sono generalmente basse, mentre le prevalenze risultano elevate.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 65
Maines Fernando
8.4 Pompe a lobi
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata, al cui interno ruotano su assi
paralleli ed in modo sincrono due lobi, uno è il condotto e l’altro è il conduttore.
I lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata, creando così un
flusso abbastanza continuo.
8.5 Pompe volumetriche rotative a vite (mohno)
Questo tipo di pompa sposta il liquido in modo continuo e delicato mediante la
rotazione di un albero munito di filettatura inserito in uno statore in materiale plastico
(gomme) con conformazione simile ma con passo diverso. Nella rotazione si formano delle
camere che avanzano con velocità costante. Per limitare l’attrito tra vite e statore si usano
basse prevalenze ed alte portate.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 66
Maines Fernando
Le pompe mohno si caratterizzano per non poter funzionare a vuoto. Si rende pertanto
necessaria la presenza di un flussometro che ferma il motore nel caso in cui la portata
risultasse nulla per più di una decina di secondi.
8.6 Pompe peristaltiche
Si basa sullo schiacciamento di un tubo in materiale elastico (gomme) con conseguente
azione di spinta del fluido contenuto. L’azione viene svolta da un rotore che porta 2 o 3
rulli (impulsori) che ruotando schiacciano il tubo contro una parete cilindrica.
I principali vantaggi di queste pompe è la ridotta pulsazione di mandata, l’assenza di
contatti con l’aria, la delicatezza d’azione e la perfetta reversibilità di mandata.
8.7 Pompe ad ogiva o a girante ellittica
La pompa a girante ellittica è adatta al pompaggio di prodotti semisolidi e di liquidi con
parti solide in sospensione (ad esempio olio, vino, mosti e uva diraspata). Generalmente è
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 67
Maines Fernando
presente una coclea di alimentazione che provvede al riempimento del corpo pompa, dove
un rotore e un otturatore, con azione soffice, spingono il prodotto nell’ampia camera di
compensazione e nelle tubazioni.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 68
Maines Fernando
9 Le pompe centrifughe
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 69
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 70
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 71
Maines Fernando
Le pompe centrifughe forniscono energia al fluido mediante l’applicazione di una
veloce rotazione. Per comprendere il principio di funzionamento si deve immaginare un
cilindro riempito d’acqua fatto girare velocemente attorno al proprio asse. La forza
centrifuga modifica la forma del pelo libero, facendogli assumere un profilo parabolico. La
differenza di altezza del liquido che si osserva all’interno del cilindro rappresenta l’energia
(o prevalenza) che la pompa cede al fluido.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 72
Maines Fernando
I principali organi della pompa centrifuga sono:
¾ il distributore: è formato da elementi fissi (bocchello di aspirazione (1a)) che
hanno il compito di ricevere il liquido dal tubo di aspirazione e di guidarlo con
velocità e direzione opportuna verso l’imboccatura della girante grazie alla
depressione indotta dalla rotazione della girante;
¾ la girante: è costituita da una
ruota munita di pale che,
ruotando, trasmette al liquido
l’energia fornita dal motore. Le
pale, in base al lavoro che devono
compiere, possono essere piegate
(diritte o rovesce) o diritte. Le
giranti possono essere di 3 tipi:
aperte, chiuse o semichiuse;
quelle chiuse (dette confinate),
avendo un percorso ben definito,
consentono il massimo controllo
del flusso; si preferiscono, invece,
le giranti aperte in presenza di
solidi, in quanto assicurano dimensioni maggiori del passaggio. Infine ci sono
pompe a girante arretrata che lavorano in modo che la maggior parte del fluido
non entri a contatto con essa al fine di preservare fluidi delicati (come il vino) da
un’azione eccessivamente energica;
¾ il diffusore: ha il compito di trasformare parte dell’energia cinetica, impartita al
liquido dalla girante, in pressione;
¾ la voluta: raccoglie il liquido uscente dalla girante e lo guida verso il tubo di
mandata. La sezione crescente contribuisce a diminuire ulteriormente la velocità
del liquido aumentando la sua pressione.
Completano la pompa lo scudo di chiusura della parte idraulica, la cassa stoppa
contenente il sistema di isolamento della parte idraulica dall’esterno (4), un supporto
dell’albero (5) contenente i cuscinetti ed il lubrificante e un albero (6) che, collegato ad un
motore, trasmette il moto alla girante.
Le principali caratteristiche delle pompe centrifughe sono:
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 73
Maines Fernando
¾ semplicità costruttiva e piccoli ingombri; perciò sono poco costose e richiedono
poca manutenzione. Sono inoltre facilmente accoppiabili con motori veloci
(elettrici);
¾ prevalenza limitata nel caso di una girante singola; qualora siano necessarie
elevate prevalenze si utilizzano pompe multiple in serie, operanti sullo stesso
albero, in grado di elaborare portate medio-basse. Un particolare esempio è dato
dalle pompe sommerse per il prelievo di acqua da pozzi profondi;
¾ portate piuttosto elevate, che possono raggiungere valori notevoli nel caso di
pompe assiali o di pompe in parallelo; in entrambi i casi si avranno
necessariamente prevalenze basse; inoltre le portate sono costanti e modificabili
con continuità variando il numero di giri (attualmente ciò è facilmente ottenibile
associando al motore elettrico un inverter);
¾ necessità di auto adescare la pompa prima dell’avviamento soprattutto dopo un
periodo lungo di inattività anche se in presenza di una valvola di ritenuta sul
tubo di aspirazione (il problema può essere risolto aspirando l’aria presente nel
corpo della pompa e nel tubo di aspirazione mediante pompette per il vuoto).
Esistono particolari tipi di pompe centrifughe in grado di auto adescarsi (pompe
ad anello liquido): presentano giranti a palette radiali a sezione rettangolare,
racchiuse in carcasse appena più grandi delle palette, munite di particolari
scanalature per l’entrata e l’uscita del fluido. Le palette ruotano e il liquido
presente nella voluta, per effetto della forza centrifuga, si dispone ad anello; fra
l’anello liquido e le palette si formano delle cellette riempite dal fluido da
comprimere che poi esce dall’apposita apertura;
¾ l’altezza di aspirazione di queste pompe diminuisce con il diminuire della
pressione atmosferica e con l’aumento della temperatura (in condizioni
favorevoli questo valore può essere di 7 m e attorno ai 3 ÷ 4 m in condizioni
sfavorevoli);
¾ il rendimento: si può arrivare fino al 70 ÷ 80 %, in particolare quando si
dimensionano correttamente le tubazioni di aspirazione e di mandata, in modo
tale da eliminare il più possibile le perdite di carico;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 74
Maines Fernando
¾ un azione piuttosto energica sul fluido, il rimescolamento con l’aria (con
formazione di schiuma) e l’azione aggressiva sulle eventuali sostanze solide:
sono tutti elementi che ne sconsigliano l’utilizzo enologico.
Le pompe centrifughe si possono classificare secondo diversi fattori:
¾ in base al numero di giranti che possiedono e alla loro disposizione, le pompe
centrifughe si distinguono in semplici (una sola girante), multiple se possiedono
più giranti in serie o multicorrenti se presentano elementi singoli o gruppi di
elementi disposti in parallelo;
¾ in base all’angolo di uscita del fluido rispetto alla
direzione di entrata (sempre assiale):
• assiali;
• radiali;
• elicoidali.
Per quanto riguarda la regolazione vi sono due metodi
principali: lo strozzamento e la ricircolazione. Lo
strozzamento, che consiste nel chiudere leggermente la valvola
di mandata, è conveniente se fatto su piccole pompe con forte
prevalenza e con un basso numero di giri. Nel caso di pompe
con grandi variazioni di portata e piccole prevalenze si applica
la ricircolazione che consiste nel rimandare in aspirazione
parte della portata erogata.
Per le pompe centrifughe assume notevole importanza il
NPSH (Net Positive Suction Head o altezza utile
all’aspirazione). Questo valore rappresenta la quantità
d’energia necessaria ed eccedente la tensione di vapore che il
liquido deve avere all’ingresso nella girante per evitare rischi
di vaporizzazione (fenomeno particolarmente negativo nel
caso del vino) e per eliminare la possibilità che la pompa subisca cavitazione (un
complesso di fenomeni dannosi per il quale vengono a formarsi bolle di vapore).
In genere una pompa ha due valori distinti di NPSH:
¾ NPSH richiesto, ovvero la resistenza opposta al passaggio del liquido
determinata dal costruttore;
¾ NPSH disponibile, caratteristica dipendente dalle condizioni d’installazione
della pompa (altezza massima di aspirazione al netto delle perdite di carico al
tubo di aspirazione e della tensione di vapore del fluido).
Per avere un buon funzionamento della macchina bisogna che il NPSH disponibile
risulti maggiore del NPSH richiesto.
In base alle condizioni operative si possono utilizzare diversi tipi di pompe:
Le pompe ad asse orizzontale sono macchine radiali nella quale il motore è montato
sullo stesso asse (formano un unico blocco) con la bocca di aspirazione assiale mentre
quella di mandata è orientata radialmente verso l’alto. Questa struttura rende semplice
l’installazione, bassi i costi di esercizio e di impiego e le rende adatte al prelievo da canali,
pozzi poco profondi, canali o cisterne e vasche superficiali. Infatti si possono usare quando
il pelo libero dell’acqua è a pochi metri di profondità fino ad un massimo teorico di 10,33
m, valore che in realtà si riduce a 6 ÷ 7 m. Ulteriori riduzioni possono essere necessarie per
evitare la formazione ed il successivo sgonfiamento di bolle di vapore all’interno del
liquido; questo fenomeno, detto cavitazione può provocare danni alla girante, rumore,
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 75
Maines Fernando
vibrazioni. Per evitare ciò occorre verificare che il carico all’entrata della pompa (carico
netto all’aspirazione NPSHA17 espresso in m) sia maggiore del carico all’aspirazione
indicato dal costruttore (NPSHR)
Non sono pompe autoadescanti quindi, se operano derivando l’acqua al di sopra del
pelo libero, il loro corpo e il condotto di aspirazione devono essere preventivamente
riempiti. Possono avere una sola girante o, per assicurare maggiori prevalenze, due
giranti. Nel caso di elettropompe è importante installare il gruppo in ambienti areati in
modo da assicurare una corretta circolazione dell’aria necessaria per il raffreddamento; nel
caso di installazione in pozzetti di deve assicurare l’assenza di
infiltrazione ed eliminare il rischio di allagamenti. Per assicurarsi le
migliori condizioni di funzionamento della pompa, si consiglia di
rispettare le seguenti raccomandazioni relative alla tubazione di
aspirazione:
¾ utilizzare un tubo di aspirazione rettilineo e di diametro (D)
tale che la velocità dia minore di 3 m/s;
¾ il pescaggio deve avvenire ad almeno 2D dal fondo e dalle
pareti in cemento , ad almeno 3D quando fondo e pareti
sono in terra; la distanza dal pelo libero deve essere
maggiore di 4D per evitare la formazione di moti vorticosi;
¾ Il pescaggio deve essere munito di succhuieruola per evitare
l’ingresso di corpi estranei, collegata al tubo di aspirazione
da un pezzo a campana;
¾ il collegamento del tubo di aspirazione alla pompa deve
essere orizzontale e lungo almeno 6D;
¾ la pompa deve essere posta in posizione più elevata rispetto
agli elementi di pescaggio e di collegamento; inoltre il
supporto della pompa e del tratto orizzontale di tubazione deve essere
opportunamente ancorato.
Le pompe ad asse verticale possono essere di tre tipi:
¾ le elettropompe sommergibili sono
piccole pompe con modeste portate e
prevalenza utilizzabili solo in piccoli
impianti per il prelievo d’acqua da
cisterne. La bocca di aspirazione posta
verso il basso permette il quasi completo
svuotamento del serbatoio;
¾ le elettropompe sommerse con motore
incorporato e coassiale con la girante e
formante un corpo unico. Sono costruite accoppiando con lo stesso asse verticale
una pompa a più giranti ad un motore elettrico ad immersione che è posto nella
parte inferiore. Nella parte centrale è presente una griglia di aspirazione mentre
nella parte superiore è incorporata una valvola di ritegno ed una saracinesca. È
17 Tale grandezza dipende dalla pressione atmosferica, dalla pressione di vapore, dal dislivello fra
superficie libera dell’acqua e l’asse della girante, dalle perdite di carico della condotta di aspirazione e
dall’altezza cinetica. Inoltre l’instaurarsi di fenomeni di cavitazione dipende da altitudine e temperatura.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 76
Maines Fernando
indicata per prelievo da pozzi trivellati con profondità superiore ai 6 metri e
diametro limitato (fino ad un minimo di 10 cm). Sono sensibili alla sabbia che ne
usura le giranti;
¾ le elettropompe sommerse con motore elettrico esterno ad asse verticale (si
possono anche adottare motori elettrici o endotermici ad asse orizzontale con
l’intermediario di un gruppo meccanico di rinvio a 90° oppure la p.d.p. del
trattore). Il moto del motore viene trasmesso alla pompa che si trova sommersa a
profondità notevoli (anche oltre 250 metri) mediante una linea d’asse a tenuta
stagna (composta da spezzoni di 2 ÷ 3 m). Rispetto alle pompe con motore
sommerso hanno il vantaggio che il motore può essere riparato senza l’estrazione
dell’intera pompa dal pozzo.
Le pompe, oltre al funzionamento in singolo, possono essere installate in serie ed in
parallelo. Nel primo caso la prevalenza totale è data dalla somma delle prevalenze delle
singole pompe mentre la portata è la stessa per tutte; questa soluzione viene adottata
qualora siano necessarie elevate pressioni (impianto utilizzato per la lotta antibrina). Per le
pompe in parallelo si devono sommare le portate come nel caso di impianti alimentati
contemporaneamente da più fonti di approvvigionamento. In entrambi i casi il
rendimento è dato dalla media ponderata (con i pesi dati dalla potenza assorbita) dei
singoli rendimenti.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 77
Maines Fernando
10 Calore e temperatura
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 78
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 79
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 80
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 81
Maines Fernando
Osservazioni sperimentali confermano che il calore, sia quello del Sole sia quello di un
termosifone, può compiere un lavoro (formazione del vento, asciugare un asciugamano,
…) e pertanto rappresenta una manifestazione di una delle molte forme dell’energia,
chiamata energia termica.
Tale forma di energia è principalmente dovuta all’energia cinetica posseduta dalle
particelle di un determinato corpo. Infatti se viene fornito calore ad un solido la vibrazione
delle molecole aumenta; quando le vibrazioni superano le forze di coesione, i legami si
spaccano e avviene in passaggio di stato a liquido. Lo stesso vale per il passaggio allo stato
gassoso.
Fra le diverse forme di energia, quella termica è quella più “disordinata” e degradata
(nel senso di più difficilmente riutilizzabile), quindi trasformare un’energia qualsiasi in
energia termica è più facile rispetto a trasformare dell’energia termica in un’altra forma, a
causa delle inevitabili perdite.
Il calore e la temperatura sono due diversi aspetti legati all’energia termica posseduta
da un corpo la cui definizione discenda dai seguenti dati sperimentali:
¾ quando due sistemi si trovano in equilibrio termico e non avviene nessun
trasferimento di calore, si dice che sono alla stessa temperatura;
¾ quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal
sistema a temperatura più alta verso il sistema a temperatura più bassa, fino al
raggiungimento dell’equilibrio termico.
Il calore, pertanto, rappresenta l’energia (caratterizzata da un alto livello di disordine)
che viene trasferita da un sistema ad un altro per ristabilire l’equilibrio termico, così come
il lavoro è l’energia (altamente “ordinata” che può essere utilizzata, ad esempio, per
spostare un corpo); il calore perciò rappresenta un flusso di energia fra due oggetti a
temperatura diversa.
L’unità di misura del calore, così come per il lavoro è
il joule (J); un’unità di misura alternativa, non valida
per il S.I. ma tuttora abbondantemente utilizzata, è la
caloria, definita come la quantità di calore necessaria
per innalzare di un grado centigrado (o Kelvin), da 14,5
a 15,5 °C, un grammo d’acqua in condizione standard.
Il fattore di conversione (secondo il principio tra calore
e lavoro scoperto da Joule) e dato dall’equivalente
meccanico della caloria pari a 4,186 J.
Decisamente diverso è il concetto della temperatura.
Questa grandezza rappresenta la proprietà intensiva
(non dipende dalla massa dello stesso) di un corpo che
regola il trasferimento di energia termica o calore, da
un sistema ad un altro e che, pertanto, è correlata
all’energia cinetica delle particelle (temperatura
assoluta). Con la temperatura si può mettere a
confronto il contenuto termico di due corpi.
Uno degli strumenti più comunemente utilizzati per la misurazione della temperatura è
il termometro a liquido. Esso consiste di un tubicino capillare di vetro riempito con
mercurio o altro liquido. L’incremento di temperatura fa espandere il liquido e la
temperatura può essere determinata misurando il volume del fluido all’equilibrio. Questi
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 82
Maines Fernando
termometri possono essere calibrati, in modo che sia possibile leggere le temperature su
una scala graduata (osservando il livello del fluido nel termometro). Un altro tipo di
termometro è il termometro a gas.
Esistono scale relative (Celsius e Fahrenheit) e assolute (Kelvin). Le differenze
sostanziali fra le tre possono essere riassunte nella seguente tabella:
descrizione
Zero assoluto
Temperatura di superficie più fredda mai
registrata sulla Terra.
Soluzione salina di Fahrenheit
Temperatura di congelamento dell’acqua a
pressione standard.
Temperatura media della superficie terrestre
Temperatura di ebollizione dell’acqua a
pressione standard.
Temperatura di superficie più calda mai
registrata sulla Terra.
kelvin
°k
0,00
184,00
celsius
°c
-273,15
−89,00
fahrenheit
°f
-459,67
−128,20
255,37
273,15
−17,78
0,00
0,00
32,00
288,00
373,15
15,00
100,00
59,00
212,00
331,00
58,00
136,40
Le equivalenze fra le tre scale possono essere estrapolate mediante le seguenti
espressioni:
*****
Per valutare la capacità di un corpo di compiere lavoro grazie all’energia termica
posseduta si deve considerare la capacità termica cioè il rapporto fra il calore fornitogli e
l’aumento di temperatura che ne è derivato. L’unità di misura nel Sistema Internazionale è
J/K. La capacità termica è proporzionale alla quantità di materia:
C = m⋅c
dove:
¾ c rappresenta il calore specifico di una sostanza, definito come la quantità di
calore necessaria per aumentare di 1 grado centigrado la temperatura di un’unità
di massa (generalmente un grammo o un chilogrammo) del materiale da 14,5 a
15,5 °C;
¾ m rappresenta la massa del corpo espressa in kg.
Per comprendere il significato di tale grandezza presentiamo il seguente esempio: una
piccola quantità di acqua bollente (nonostante la sua alta temperatura) riesce a sciogliere
solo una modesta quantità di un cubetto ghiaccio, mentre una maggiore quantità di acqua,
anche se a temperatura ambiente, riesce a sciogliere tutto il cubetto di ghiaccio in quanto,
grazie alla sua massa, contiene una maggiore quantità di calore.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 83
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 84
Maines Fernando
11 Propagazione del calore
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 85
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 86
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 87
Maines Fernando
Come abbiamo visto il calore è la manifestazione a livello macroscopico dello scambio
di energia da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di
temperatura. La propagazione del calore è un processo mediante il quale l’energia termica
si trasferisce da un corpo ad un altro o da una regione di un corpo ad un’altra, a seguito di
una differenza di temperatura.
Esistono diverse modalità per la propagazione del calore:
¾ conduzione;
¾ convezione;
¾ irraggiamento.
11.1 Trasmissione per conduzione
Rappresenta l’unica modalità di propagazione del calore nel caso di corpi solidi a
contatto18; in sistemi complessi la conduzione da atomo ad atomo è fortemente dipendente
dai tipi di struttura atomica: si va da ottimi “conduttori” ad ottimi “isolanti”.
Se si considera una barretta di metallo e si sottopone un’estremità ad una fonte di
calore, si può osservare un flusso continuo di calore verso l’altra estremità più fredda.
Nello stato stazionario, la temperatura varia uniformemente (se la barra è uniforme)
dall’estremità ad alta temperatura a quella a bassa temperatura.
Ciò è spiegabile con il fatto che la conduzione è in effetti una trasmissione di energia tra
atomi, soprattutto tramite i velocissimi e mobilissimi elettroni (ecco perché un buon
conduttore termico è anche un buon conduttore elettrico).
Dove maggiore è la temperatura le particelle vibrano con maggiore ampiezza intorno
alla posizione di equilibrio nel reticolo cristallino e urtano le molecole vicine cedendo una
parte dell’energia cinetica. A loro volta queste molecole ne urtano altre vicine,
consentendo così la propagazione del calore per conduzione sia in uno stesso mezzo sia
18 La trasmissione per conduzione interessa anche i fluidi, se in quiete; i gas, in particolare, sono dei
cattivi conduttori e quindi degli ottimi isolanti. Nel caso di fluidi non in quiete la trasmissione del calore
risulta esaltata dalla presenza di trasmissione per convezione.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 88
Maines Fernando
attraverso mezzi diversi posti a contatto. Poiché le molecole non abbandonano la
posizione che occupano nel reticolo cristallino, non vi è spostamento di materia, ma
soltanto di energia. Il calore si trasferisce rapidamente all’estremo più freddo e al termine
del processo la temperatura della barra, in equilibrio termico, è uniforme.
Per il caso di conduzione, cioè il passaggio di calore tramite il contatto fisico tra due
solidi, si usa questa formula:
Q=λ
A
(T2 − T1 )t
s
dove:
¾
¾
¾
¾
λ rappresenta la conducibilità termica espressa in W/°Kmh;
A rappresenta la superficie di contatto espressa in m2;
s rappresenta lo spessore del materiale espresso in m;
T1 e T2 rappresentano le temperature dei due corpi a contatto (ad esempio vino e
aria esterna);
¾ t rappresenta il tempo di calcolo espresso in ore.
La formula afferma che la quantità di calore che attraversa in un secondo una lastra di
superficie unitaria è proporzionale alla differenza di temperatura ed il fattore di
proporzionalità viene detto conducibilità termica del materiale (λ). Le sostanze che hanno
un elevato λ sono buoni conduttori di calore, come l’oro, l’argento e il rame mentre quelle
per cui il coefficiente è basso, come il vetro, l’amianto, il legno, il polistirolo e il ghiaccio,
sono definite isolanti termici. Per i gas λ è pressoché trascurabile. L’aria, per esempio, ha
un coefficiente di conducibilità termica che è quasi 20000 volte minore di quello
dell’argento e del rame.
Materiale
Gas alla pressione atmosferica
Materiali isolanti
Liquidi non metallici
Solidi non metallici (mattoni, pietra, cemento)
Metalli liquidi
Leghe
Metalli puri
kcal/mh°C
0,006 ÷ 0,15
0,030 ÷ 0,18
0,075 ÷ 0,60
0,030 ÷ 2,00
7,500 ÷ 70,00
12,00 ÷ 100,00
45,00 ÷ 360,00
W/m°C
0,007 ÷ 0,17
0,034 ÷ 0,21
0,087 ÷ 0,70
0,034 ÷ 2,30
8,700 ÷ 81,00
14,000 ÷ 420,00
52,000 ÷ 120,00
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 89
Maines Fernando
11.2 Trasmissione per convezione
La convezione è il tipico modo di scambio termico tra un corpo solido ed un fluido in
movimento che ne lambisce la superficie ed è quindi vincolato al trasporto di materia per
effetto delle forze che agiscono sul fluido e che si ingenerano a causa delle variazioni di
temperatura (convezione naturale) o per effetto dell’azione meccanica di appositi
dispositivi (convezione forzata). Gli spostamenti di materia portano al rimescolamento
delle masse elementari e quindi alla ridistribuzione della temperatura all’interno del
fluido. La convezione è quindi un processo di trasporto dell’energia mediante l’azione
combinata della conduzione, dell’accumulo di energia e del mescolamento.
Se un liquido o un gas viene riscaldato, la sua densità ρ (massa per unità di volume
kg/m3) diminuisce. Trovandosi in un campo gravitazionale, la parte di fluido più calda, e
quindi meno densa, sale, mentre la parte più fredda scende. Questo movimento, dovuto
solo alla non uniformità della temperatura nel fluido, viene detta convezione naturale19.
Un esempio di convezione naturale è dato dal riscaldamento di una stanza, durante il
quale l’aria calda viene spinta a salire lungo i muri, mentre l’aria più fredda è attirata
verso il radiatore. Poiché l’aria calda tende a salire e l’aria fredda a scendere, si ottiene la
massima efficacia di funzionamento da radiatori e condizionatori d’aria installando i primi
presso il suolo e i secondi vicino al soffitto.
La convezione forzata invece si ottiene se il fluido è sottoposto artificialmente a un
gradiente di pressione, che lo mette in movimento, secondo le leggi della meccanica dei
fluidi.
Il fenomeno della convezione viene descritto da una formula molto simile a quella vista
per la conduzione, con la differenza che al posto della conducibilità termica λ si utilizza un
coefficiente α (coefficiente liminare).
A
Q = α (T2 − T1 )t
s
dove:
¾ α rappresenta la il coefficiente liminare
espresso in W/°Km2h.
11.3 Trasmissione per irraggiamento
Il trasferimento di calore, da un corpo a temperatura
più alta ad un corpo a temperatura più bassa per
irraggiamento ha caratteristiche notevolmente diverse
rispetto alle due modalità precedenti: si tratta infatti di
un fenomeno essenzialmente elettromagnetico (come
la luce, i raggi X, le onde radio, gli infrarossi, …) che
19 Il fenomeno della convezione naturale favorisce la risalita dell’aria calda e del vapore nelle caldaie e
l’aspirazione dell’aria nei camini. La convezione spiega inoltre il movimento delle grandi masse d’aria
intorno alla Terra, l’azione dei venti, la formazione delle nuvole, le correnti oceaniche e il trasferimento di
calore dall’interno alla superficie del Sole.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 90
Maines Fernando
non richiede il contatto diretto tra i corpi o la presenza di mezzi materiali; pertanto la
trasmissione per irraggiamento può avvenire anche nel vuoto e rappresenta il principale
meccanismo di trasmissione dell’energia in tutto l’Universo. La quantità di energia
irraggiata è proporzionale alla IV potenza della temperatura assoluta:
I = ε ⋅σ ⋅T 4
11.4 Scambiatori di calore
Gli scambiatori di calore sono sistemi adibiti al trasferimento di energia, sotto forma di
calore, tra due fluidi a diversa temperatura. Lo scambio termico avviene grazie ad una
parete metallica che separa i due fluidi.
Gli scambiatori possono essere classificati in funzione delle modalità di contatto tra le
due correnti:
¾ scambiatori a miscela (o a contatto): le due correnti si scambiano calore e materia,
ovvero non sono separate da pareti (torre di raffreddamento, scambiatore a
fiamma sommersa, …). Operano una semplice miscelazione dei fluidi, che di
conseguenza si portano alla stessa temperatura. Un esempio notevole è il
degasatore termico dell’acqua di alimento di una caldaia a vapore, in cui viene
iniettato vapore d’acqua allo scopo di creare le condizioni per una parziale
evaporazione, con i vapori della quale vengono anche estratti i gas indesiderati
(soprattutto l’ossigeno);
¾ scambiatori di tipo rigenerativo: le correnti vengono inviate alternativamente
all’interno di una camera di mattoni inerti, oppure in particolari unità rotanti in
lamierino;
¾ scambiatori a irraggiamento diretto: il calore viene fornito sotto forma di energia
radiante (pannelli solari, saline marine, …);
¾ scambiatori a superficie: è la classe a cui appartengono gli scambiatori più
comunemente utilizzati. Le correnti assorbono il calore dalle apposite superfici di
separazione.
In uno scambiatore a superficie si riconoscono due lati, contenenti i fluidi. In virtù del
primo principio della termodinamica, i
corpi devono essere a temperature
diverse perché vi sia trasferimento di
energia termica da uno all’altro, e si
definiscono quindi un lato caldo ed un
lato
freddo.
Questi
lati
hanno
caratteristiche diverse a seconda del tipo
di scambiatore.
A seconda della geometria dello
scambiatore, si possono definire alcune
tipologie:
¾ scambiatore a doppio tubo: i
fluidi scorrono in due tubi
coassiali, uno interno (tubo) e
uno esterno (camicia). E’ una
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
¾
¾
¾
¾
¾
pag. 91
Maines Fernando
delle tecnologie più utilizzate (anche in cantina) ed è formato da due tubi
concentrici, in cui passano due fluidi a temperature diverse. Il tubo più interno è
costituito da materiali ad alta conducibilità termica, che consentono lo scambio
più alto possibile di calore tra i due fluidi. Il materiale più indicato per questo
uso è l’acciaio inox che offre un’alta resistenza all’usura e una minore tendenza al
deposito di incrostazioni; è inoltre particolarmente semplice la pulizia della
parete interna del tubo e, pertanto, risulta particolarmente adatto a quei settori in
cui l’igiene assume grande importanza. Per il tubo esterno i materiali più adatti
sono metalli a bassa conducibilità termica, anche se non necessariamente isolanti.
scambiatore a fascio tubiero e mantello: uno dei fluidi passa all’interno di tubi,
solitamente a sezione circolare, e l’altro all’esterno dei tubi stessi, in una camera
(mantello) appositamente realizzata;
scambiatore a piastre: i due fluidi lambiscono i lati opposti di una lamiera,
solitamente corrugata o piana con l’inserimento di turbolatori, in camere
alternate e tra loro isolate;
scambiatore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera, di solito
liscia, in camere singole di grande lunghezza, avvolte a spirale per praticità;
scambiatore a blocchi di grafite o altro materiale: le correnti circolano in fori
cilindrici, solitamente disposti ortogonalmente nei due lati;
scambiatore a pacco alettato: uno dei fluidi passa all’interno di tubi, solitamente a
sezione circolare, e l’altro (generalmente gassoso) attraverso il pacco alettato
all’esterno dei tubi.
Scambiatore a fascio tubiero e mantello
Serpentina
Scambiatore a piastre
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 92
Maines Fernando
Scambiatore a pacco alettato
11.5 Scambio termico attraverso una parete
La quantità di calore che attraversa una parete ha molta importanza pratica. Infatti,
attraverso muri di una casa c’è passaggio di calore dall’interno all’esterno durante
l’inverno e d’estate. Per limitare questo passaggio o si costruiscono pareti molto spesse
oppure si usano materiali che hanno coefficienti di conducibilità termica bassi.
Il comportamento di una parete nei confronti dei flussi termici che l’attraversano è
riassunto nel valore della resistenza termica k espressa nella seguente formula:
s
1 1
1
=
+∑ i +
k α1
λi α 2
L’interpretazione della formula è rappresentato nelle seguenti figure.
Per migliorare il comportamento termico
di una parete si possono adottare diverse soluzioni:
¾ utilizzo di materiali e spessori che aumentino l’inerzia termica della parete,
¾ la posa di materiali a basso coefficiente di conducibilità termica (strati interni o
cappotti esterni).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 93
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 94
Maines Fernando
12 Umidità dell’aria
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 95
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 96
Maines Fernando
L’aria è formata, oltre che da N2, O2, CO2, anche da acqua
sotto forma di vapore. L’entità di tale presenza può essere
misurata in vari modi:
¾ umidità assoluta (u): è data dalla quantità in
grammi di acqua presente in un chilogrammo di
aria secca20;
¾ umidità specifica: è il rapporto della massa del
vapore acqueo e la massa d’aria umida, valore che
varia a seconda della pressione e della
temperatura;
umidità relativa21 (U%): indica la percentuale di acqua
L’umidità assoluta viene anche definita come la quantità in grammi di acqua presente in un metro cubo
di aria. In questo caso il valore che si ottiene varia al cambiare delle condizioni di temperatura e/o di
pressione.
21 Per misurare l’umidità relativa dell’aria si utilizza l’igrometro. Uno strumento analogo, l’igrografo,
viene utilizzato per misurare e segnare la variazione dell’umidità in un dato intervallo di tempo.
20
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 97
Maines Fernando
presente nell’aria rispetto alla quantità massima di acqua che l’aria potrebbe contenere in
condizioni di saturazione:
g H 2O ⋅ effettivi
U% =
g H 2O ⋅ in⋅ saturazione
La quantità di vapore limite corrispondente alla quantità di saturazione dipende dalle
condizioni meteorologiche, in particolare della temperatura: più l’aria è calda maggiore è
la quantità di vapore che l’aria può incamerare. Pertanto anche il valore dell’umidità
relativa varia con la temperatura (oltre che con la pressione). In particolare ad un aumento
della temperatura corrisponderà una riduzione dell’U% e viceversa.
Nel caso di masse d’aria sottoposte ad un progressivo raffreddamento (per semplicità
considereremo la pressione costante), si osserverà inizialmente un aumento dell’umidità
relativa (a cui non corrisponde nessuna variazione dell’umidità assoluta) fino a giungere
alla condizione di saturazione. Tale condizione rappresenta il cosiddetto “punto di
rugiada” e la corrispondente temperatura prende il nome di “temperatura di rugiada”.
Un’ulteriore riduzione della temperatura, non potendo indurre un ulteriore aumento
dell’U%, determina la necessità di ridurre l’umidità assoluta con conseguente
condensazione del vapore d’acqua che in natura si manifesta in forma di nebbia, di
pioggia, di rugiada, di brina o di galaverna.
Il fenomeno ora descritto viene schematizzato nella seguente tabella:
temperatura
(°C)
umidità assoluta
(g/kgaria secca)
umidità
assoluta
(g/m3)
12,7
12,8
12,9
13,0
13,1
13,1
13,1
13,1
12,1
10,6
9,4
umidità
relativa (%)
volume
specifico
(m3/kg)
0,856
0,851
0,845
0,839
0,834
0,832
0,831
0,831
0,826
0,819
0,812
24,00
10,9
57,90
22,00
10,9
65,90
20,00
10,9
74,40
18,00
10,9
84,30
16,00
10,9
95,90
15,50
10,9
98,80
15,30
10,9
99,80
(*)15,28
10,9
100,00
14,00
(**) 10,0
100,00
12,00
(**) 8,7
100,00
10,00
(**) 7,6
100,00
(*) Corrisponde al punto di rugiada.
(**) L’umidità si riduce a seguito della condensazione di parte del vapore.
I valori della tabella sono ottenibili dal diagramma psicometrico di seguito riportato.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 98
Maines Fernando
12.1 Aspetti pratici
L’acqua per poter passare allo stato di vapore (andando ad aumentare il tasso di
umidità dell’aria), deve assorbire una certa quantità di calore (2260 kJ o 540 kcal per kg di
acqua). Pertanto l’evaporazione dell’acqua può essere utilizzata, oltre che per umidificare
ambienti con aria troppo secca, per assorbire calore. Eccone alcune possibili applicazioni:
¾ raffrescamento ambientale di serre, ricoveri zootecnici, …;
¾ raffreddamento di acqua (mediante torri evaporative) utilizzata per il
funzionamento di condensatori in impianti di refrigerazione in modo da
consentire il riutilizzo;
¾ raffreddamento dei serbatoi di fermentazione mediante un velo di acqua fatto
scorrere sulla superficie dei serbatoi stessi.
La capacità dell’aria di assorbire acqua sottoforma di vapore viene utilizzata anche per
ridurre l’umidità dei prodotti agricoli (essiccazione dei foraggi, appassimento dell’uva,
…). Il processo prevede la ventilazione (naturale o artificiale) di appositi magazzini in
modo da favorire la cessione all’aria di parte del contenuto d’acqua del prodotto
conservato. I parametri da valutare sono:
¾ la quantità di acqua da asportare;
¾ i volumi di aria a disposizione;
¾ l’U% dell’aria in entrata;
¾ il tempo utile;
¾ la temperatura massima che il prodotto può sopportare.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 99
Maines Fernando
Per aumentare le prestazioni del sistema si interviene incrementando l’intensità di
ventilazione (si aumenta la massa di aria immessa) e/o riscaldando l’aria in entrata (in
modo da ridurne l’U%).
Per il dimensionamento dell’impianto si utilizza il diagramma psicometrico ricordando
che il processo di essicazione è una trasformazione isoentalpica e che l’aria in uscita
difficilmente è in condizioni di saturazione (l’aria esce anche con una temperatura
inferiore di quella in entrata dovendo cedere calore alla massa da essiccare).
*****
Alcune considerazioni devono essere fatte anche a riguardo delle influenze
particolarmente negative che l’eccesso di umidità ha sulle strutture di un edificio. I
problemi principali si presentano nel caso di ambienti che presentano elevata umidità
ambientale come nel caso delle cantine dove si utilizzano grandi quantità di acqua. In
inverno può accadere che la superficie delle pareti “fredde” (pareti rivolte verso nord,
superfici vetrate, pareti rivolte verso ambienti non riscaldati, …) raggiunga valori di
temperatura minori di quella di rugiada. La conseguente condensazione superficiale del
vapore d’acqua eccedente la soglia di saturazione, se protratta nel tempo, darà origine a
fenomeni degenerativi (macchie, muffe, …) degli elementi di rifinitura della pareti
(distacco degli intonaci, incrostazioni, …) e al rischio di fonti di contaminazione biologica.
Per contrastare questi fenomeni, è necessario verificare in fase di progettazione, il grado
di isolamento termico delle pareti e dei solai in funzione delle possibili fonti di umidità
ambientale (infiltrazioni per capillarità, apporti esterni e apporti interni). Si dovranno
inoltre individuare le possibili strategie da adottare per la riduzione del tasso di umidità
(impianto di deumidificazione, ventilazione dei locali, …).
Ancora più problematico è il caso in cui la temperatura di rugiada venga raggiunta
all’interno della parete. In tal caso, infatti, i fenomeni di condensazione, impregnando il
materiale, peggiorano ulteriormente le proprietà di termo isolamento dei materiali,
innescando un processo che progressivamente interesserà strati sempre maggiori di parete
fino al raggiungimento della superficie. Si avrà così un manifestarsi improvviso di
fenomeni di degrado superficiale ormai difficilmente risanabili. Per evitare ciò è necessario
effettuare particolari verifiche (verifica di Glaser) da parte di tecnici specializzati sul
comportamento delle pareti (e dei relativi materiali) rispetto alla permeabilità al vapore ed
alla temperature che si instaurano nella parete durante i periodi più freddi dell’anno.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 100
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 101
Maines Fernando
13 Elementi di termodinamica (cenni)
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 102
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 103
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 104
Maines Fernando
13.1 La termodinamica
La termodinamica è quella branca della fisica e della chimica (chimica fisica) che
descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la
trasformazione di calore22 in lavoro23 e viceversa.
Riprendiamo i tre principi fondamentali della termodinamica:
Ricordiamo che il calore è la manifestazione a livello macroscopico dello scambio di energia da un
sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di temperatura. L’unita di misura del calore è il J
(joule) o la cal (caloria) che indica la quantità di calore necessaria per innalzare 1g di acqua da 14,5 a 15,5°C
(una caloria equivale a 4,186J, un J equivale a 0,239 cal).
23 In termodinamica, il lavoro viene scomposto per comodità in due contributi: un contributo relativo alla
variazione di volume (lavoro di volume) e un contributo indipendente dalla variazione di volume (lavoro
isocoro). Dato che un gas esercita una pressione p interna sulle pareti del contenitore che lo contiene, se una
di queste pareti (di area A) è mobile e si sposta di una quantità Δl sotto l’azione di questa pressione allora il
lavoro di volume compiuto dal gas è dato dalla seguente espressione: L = p A Δl = p ΔV.
22
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 105
Maines Fernando
1. la quantità di calore (Q) assorbita da un sistema in una trasformazione
termodinamica qualsiasi, in parte viene impiegata dal sistema per compiere il
lavoro su un ambiente esterno (L) e in parte per variare l’energia interna del
sistema.
Q = L + ΔU
2. fra i molti enunciati del secondo principio riportiamo i seguenti tre.
• in una trasformazione termodinamica di calore in lavoro meccanico, solo
una parte del calore si può trasformare in lavoro. La parte che rimane
sottoforma di calore avrà una temperatura inferiore a quella di partenza
(enunciato di Carnot);
• non è possibile che l’unico risultato di una trasformazione sia il passaggio
di calore da un corpo freddo a un corpo caldo (enunciato di Clausius);
• è impossibile che l’unico risultato di una trasformazione sia quello di
trasformare integralmente in lavoro l’energia calorifica presa da una sola
sorgente (enunciato di Kelvin).
è impossibile raggiungere la temperatura dello zero assoluto con un numero finito di
trasformazioni.
13.2 Trasformazioni nei gas24
Appare evidente che in termodinamica è
fondamentale il concetto di trasformazione, intendendo
con esso il passaggio da uno stadio di equilibrio ad un
altro. Per descrivere uno stato di equilibrio sono
necessarie tre variabili fondamentali: la pressione (p), il
volume (V) e la temperatura (t). Queste variabili sono
fra loro legate dall’equazione di stato dei gas:
pV = nRT
In questa sede prenderemo in considerazione quattro
diverse trasformazioni fondamentali:
¾ nella trasformazione isobara la pressione
rimane costante:
Vt = V0 (1 + αt ) (1° legge di Volta e Gay-Lussac)
24 I gas, a differenza dei solidi e dei liquidi, sono costituiti da molecole libere di muoversi; pertanto sono
comprimibili e non presentano né volume né forma propria. Le leggi descritte nel paragrafo sono valide per i
gas perfetti, che si caratterizzano per l’assenza di interazioni molecolari e per l’assenza di viscosità.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 106
dove: α t =
Maines Fernando
1
273,15
nella trasformazione isocora o isovolumica il volume rimane costante:
pt = p0 (1 + αt ) (2° legge di Volta e Gay-Lussac)
dove: α t =
1
273,15
nella trasformazione isoterma la temperatura rimane costante (grafico: iperbole
equilatera):
pV = k
(legge di Boyle)
¾ nella trasformazione adiabatica non c’è scambio di calore con l’esterno:
pV n = k
dove n=1,41 per l’aria
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 107
Maines Fernando
13.3 Il ciclo di Carnot
Un ciclo termico è dato da una serie di trasformazioni termodinamiche che, partendo da
un certo stato iniziale del gas, lo riportano alle stesse condizioni di pressione, temperatura
e volume. In un diagramma p-V un ciclo termodinamico è rappresentato da un percorso
chiuso. Un diagramma P-V ha sulle ascisse il volume (V) e sulle ordinate la pressione (P).
Si dimostra che l’area racchiusa dal ciclo nel digramma è il lavoro (W). Si ricorda inoltre:
¾ se il ciclo è percorso in senso orario, il lavoro risulta positivo25 (lavoro svolto dal
sistema sull’ambiente);
¾ se il ciclo è percorso in senso antiorario, il lavoro risulta negativo (lavoro svolto
dall’ambiente sul sistema).
Per convenzione un sistema compie un lavoro positivo (fatto sull’ambiente esterno) se la
trasformazione avviene con aumento di volume; viceversa un sistema compie un lavoro negativo (lavoro
fatto dall’ambiente esterno sul sistema) se la trasformazione avviene con riduzione di volume. Sempre per
convenzione il calore ceduto dal sistema all’esterno è considerato negativo, mentre il calore acquisito dal
sistema è positivo.
25
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 108
Maines Fernando
Il ciclo di Carnot è un ciclo ideale in quanto descrive trasformazioni reversibili subite da
un gas ideale in assenza di attriti e di perdite di calore; è composto da due isoterme e da
due adiabatiche.
¾ prima trasformazione isoterma (a – b): il gas, da una situazione di equilibrio di
pressione, volume e temperatura, inizia a perdere pressione, a diminuire la
temperatura e ad aumentare il proprio volume a causa dell’innalzamento del
pistone. Il gas compie lavoro;
¾ seconda trasformazione adiabatica (b - c): il gas continua a perdere pressione e ad
aumentare il proprio volume, producendo contemporaneamente lavoro;
¾ terza trasformazione isoterma (c – d): il gas inizia ad aumentare la pressione, la
temperatura e diminuisce il proprio volume grazie alla compressione del pistone.
In questo caso non è più il gas che compie lavoro, ma è il pistone: si ha così un
lavoro negativo;
¾ quarta trasformazione adiabatica (d – a): il gas continua a perdere pressione e a
diminuire il volume fino a ritornare alla situazione di partenza.
Una macchina termica percorre il ciclo in senso orario (lavoro > 0):
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 109
Maines Fernando
¾ è una macchina che trasforma parte del calore in energia (come affermato dal 2°
principio della termodinamica);
¾ questa macchina è in grado di produrre lavoro acquistando calore (Q1) da una
sorgente a temperatura T1 (sorgente calda), pur liberando una quantità di calore
(Q2) ad una sorgente a temperatura T2 (sorgente fredda) minore di T1. Il calore
Q2, trovandosi ad una temperatura minore rispetto a quella di partenza, risulta
“degradato” cioè in condizioni di maggior entropia;
Le prestazioni di una macchina vengono valutate dal rendimento, inteso come il
rapporto fra il lavoro utile prodotto(energia in uscita Eu) e l’energia fornita (energia in
entrata Ee):
E
η= u
Ee
Se al posto dell’energia consideriamo la potenza otteniamo il rendimento in un dato
istante:
P
η= u
Pe
Nel caso di una macchina termica, il rendimento (η) è espresso come rapporto fra il
lavoro (L) e la quantità di calore iniziale (Q1):
Dalla valutazione possiamo concludere che il rendimento è un numero puro sempre
minore di 126. In particolare, il ciclo di Carnot è il ciclo (teorico) con il rendimento
massimo, mentre il rendimento delle macchine termiche reali è ancor più basso (minore di
0,40 per i motori diesel).
Una macchina frigorifera percorre il ciclo in senso antiorario (lavoro < 0): si tratta di un
dispositivo mediante il quale è possibile prelevare del calore (Q2) da ambiente “freddo” a
temperatura TB e a trasferire una quantità di calore Q1 = Q2 + L ad un ambiente a
temperatura “calda” TA > TB.
Nel caso di più macchine fra loro collegate il rendimento totale è dato dal prodotto dei singoli
rendimenti.
26
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 110
Maines Fernando
Le macchine frigorifere reali sono costituite da un compressore, un condensatore, da
una valvola di laminazione e da un evaporatore. Per il funzionamento delle macchine
frigorifere e la valutazione delle prestazioni si rimanda al paragrafo dedicato alle pompe
di calore.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 111
Maines Fernando
14 I combustibili
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 112
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 113
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 114
Maines Fernando
Un combustibile è una sostanza costituita principalmente da H e C, che viene ossidata
in presenza di ossigeno. Si tratta dibuna reazione veloce e fortemente esotermica; altri
prodotti di reazione sono: CO2, CO (indice di combustione incompleta), vapor acqueo,
ceneri (e composti dello zolfo in funzione della composizione del combustibile).
In base allo stato in cui si trovano a pressione e temperatura normali, possiamo
differenziare i vari combustibili nelle seguenti principali tipologie:
¾ liquidi;
¾ solidi;
¾ gassosi.
14.1 Combustibili solidi
Il carbone è composto per più del 50% del suo peso, e più del 70% del suo volume da
materiali carboniosi. risultanti della trasformazione di resti vegetali cresciuti in epoche
antiche che sono stati compressi, induriti, alterati chimicamente e trasformati, da calore e
pressione, nel corso dei tempi geologici.
Nel corso di tale processo è avvenuta la progressiva
eliminazione di componenti come idrogeno ed ossigeno con
conseguente arricchimento indiretto in carbonio.
Esistono differenti tipologie di combustibili derivanti dal
carbone che differiscono per l’origine (naturale o artificiale) e per il
contenuto calorico che varia in funzione dell’umidità e della
presenza in carbonio:
¾ combustibili solidi naturali:
• torbe (55 ÷ 65% di carbonio e 80 ÷ 90% di umidità)
derivano dalla trasformazione anaerobica del legno, piante erbacee, di
muschi e giunchi. Oggi sono poco utilizzate vista la disponibilità di
combustibili meno problematici e più redditizi;
• ligniti (65 ÷ 75% di carbonio): a seconda dell’umidità (dal 5 al 50%) varia il
potere calorifico (3800 ÷ 7300 kcal/kg) e le ceneri (10 ÷ 40 %);
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 115
Maines Fernando
•
litantrace (75 ÷ 90% di carbonio); ha aspetto compatto, bruno con zone
opache e lucenti. E’ il carbon fossile vero e proprio e possiede un potere
calorifico pari a 7000 kcal/kg;
• antraciti (90 ÷ 95% di carbonio): sono il carbone più pregiato (di aspetto
nere e lucenti) e possiedono un potere calorifico pari a 8500 kcal/kg;
• graffiti: sono costituite dal 100% di bi carbonio e non trovano impiego come
combustibile.
¾ i combustibili solidi artificiali:
• coke, ottenuto sottoponendo a cottura in forno alla temperatura di 1000 °C
e in assenza di ossigeno il minerale estratto, è utilizzato come combustibile
e come agente riducente nei forni fusori dei minerali metalliferi. Può essere
derivato anche dalla distillazione del petrolio;
• carbone di legna.
Altro combustibile in fase di rivalutazione, è la legna e le biomasse ottenute dal
recupero di residui vegetali o da scarti di lavorazione delle produzioni agricole (ossi di
pesca, sanse delle olive, raspi dell’uva, …).
14.2 Combustibili liquidi
Sono costituiti da miscele di idrocarburi liquide alle condizioni standard, ricavati quasi
esclusivamente dalla lavorazione del petrolio greggio. I più importanti sono :
¾ benzine;
¾ cherosene;
¾ gasolio;
¾ oli combustibili.
Altri combustibili liquidi, ma ottenuti da processi produttivi diversi sono il benzene;,
l’etanolo ed il metanolo.
Le benzine sono miscele di idrocarburi ad elevata volatilità ed infiammabilità a
temperatura ambiente (il punto di infiammabilità Abel è inferiore o uguale a 21 °C) e
pertanto vengono utilizzate in motori a combustione interna funzionanti secondo il ciclo
Otto. Il potere antidetonante, o indice di resistenza alla detonazione, viene espresso
mediante il numero di ottani. Tale numero indica la tendenza all’autoaccensione di una
benzina all’aumentare del rapporto di compressione in un motore a combustione interna.
La scala del numero di ottano si ottiene assegnando numero di ottano 0 al n-eptano (n……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 116
Maines Fernando
C7H16), che è poco resistente all’autoaccensione e numero di ottano 100 all’iso-ottano (iC8H18) in quanto molto resistente all’autoaccensione.
Nei motori ad accensione comandata l’autoaccensione non deve avvenire prima
dell’accensione comandata per evitare il così detto “battito in testa” quindi il numero di
ottano deve essere il più elevato possibile. Per aumentare il numero di ottano si
aggiungono alle benzine delle sostanze antidetonanti. Il valore degli ottani deve,
attualmente, essere maggiore di 95.
Il cherosene è una miscela di idrocarburi, liquida a 15 °C, avente punto di
infiammabilità secondo Abel superiore a 21 °C, distillante a 210° C meno del 90% e a 250
°C almeno il 65%. Commercialmente il punto di infiammabilità deve essere almeno di 38
°C. Il suo impiego più rilevante è come carburante per turboreattori, mentre raro è
l’utilizzo come combustibile in impianti per la produzione di calore.
Il gasolio deve il suo nome al suo primo impiego, che fu quello della produzione di gas
di città. E’ una miscela di idrocarburi, liquida alla temperatura di 15 °C, ottenuti dalla
distillazione frazionata del petrolio greggio a pressione atmosferica; corrisponde ad un
intervallo di distillazione tra 150 e 350 °C ed oltre, con distillato minimo dell’85% a 350 °C.
In pratica viene preparato miscelando opportunamente i tagli “petrolio”, “gasolio leggero”
e “gasolio pesante”, ricavati al topping e convenientemente desolforati, in modo da
soddisfare le specifiche doganali e commerciali. E’ usato principalmente per la produzione
di calore in caldaia e per l’alimentazione di motori a combustione spontanea (diesel). In
quest’ultimo caso risulta fondamentale il ritardo all’ignizione, cioè il tempo che intercorre
tra l’iniezione del combustibile e l’autoaccensione. Il numero di cetano (CN) caratterizza i
diversi gasoli e combustibili per motori diesel sulla base del ritardo all’ignizione in
condizioni standard. Il cetano (n-esadecano), più rapido all’ignizione, viene posto
arbitrariamente a 100, mentre l’iso-cetano (eptametil-nonano) ha numero di cetano 15. Il
combustibile viene confrontato con la miscela di riferimento in un motore diesel standard
e ancora confrontato con le caratteristiche della miscela dei composti di riferimento. Il
numero di cetano della miscela di riferimento viene definito nel seguente modo:
CN = (% cetano) + 0.15 (% iso-cetano).
Attualmente i gasoli per autotrazione devono avere numero di cetano di almeno 50 ÷
52.
Gli oli combustibili sono costituiti dai residui della distillazione del petrolio greggio,
portati a viscosità inferiori mediante diluizione (flussaggio) con frazioni distillate più
leggere (petrolio o gasolio). Commercialmente vengono denominati in base alla loro
viscosità misurata a 50 °C ed espressa in gradi Engler (°E): olio combustibile fluido, con
viscosità tra 3 e 5 °E ed olio combustibile denso, con viscosità superiore a 7 °E.
14.3 Combustibili gassosi
I combustibili gassosi fossili sono essenzialmente costituiti da idrocarburi paraffinici da
1 (metano) fino a 4 atomi di carbonio (butano). Le proprietà di tali gas dipendono dal
numero e dalla disposizione degli atomi di carbonio e di idrogeno nella struttura
molecolare.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 117
Maines Fernando
I principali combustibili gassosi sono:
¾ il gas naturale è un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica della sostanza
organica. In natura si trova comunemente allo stato fossile, insieme al petrolio, al
carbone o da solo in giacimenti di gas naturale. Viene però anche prodotto dai
processi di decomposizione correnti, nelle paludi (in questo caso viene chiamato
anche gas di palude), nelle discariche o negli impianti di digestione anaerobica
dei reflui zootecnici (biogas). E’ costituito prevalentemente da metano, con
piccole percentuali di altri idrocarburi leggeri (soprattutto etano, propano e
butano) e minime quantità di acqua, azoto, diossido di carbonio e idrogeno
solforato. Prima di essere avviato al consumo viene ridotto a gas secco, che
praticamente contiene solo metano ed etano, con un processo di estrazione dei
gas liquefacibili, propano e butano, e della cosiddetta gasolina, una benzina
leggerissima (composta da butano, pentano, esano, eptano e ottano), usata come
solvente o in miscela con benzine pesanti;
¾ il GPL (gas di petrolio liquefatto) è una miscela di diversi idrocarburi alcani, a
basso peso molecolare: butano, propano e pentano (tracce solo nei GPL
provenienti da raffineria). La composizione non è definita esattamente e le
specifiche di fornitura hanno dei margini. Per il propano (componente
principale), ad esempio, la massa volumica è compresa tra i 505 e i 530 kg/m3
con un potere calorifico che non deve essere inferiore a 10950 kcal/kg con un
contenuto di zolfo massimo di 50 ppm. Data l’elevatissima purezza degli alcani
impiegati il GPL brucia integralmente producendo (se l’ossigenazione è
sufficiente) CO2, H2O e NO2, lasciando pochissime scorie, analogamente agli
alcani più leggeri, quali il metano;
¾ il gas ottenuto mediante gassificazione da carbone, torba, legno o biomasse,
composto da CO (20 ÷ 30%), H2 (10 ÷ 20%), CO2 (3 ÷ 10%) e N2 (45 ÷ 55%). E’
detto anche gas povero per il basso potere calorifico;
¾ l’idrogeno prodotto per steam reforming del gas naturale, per ossidazione
parziale di idrocarburi o per gassificazione del carbone.
Diversi sono i parametri che caratterizzano i diversi combustibili:
¾ il potere calorifico: rappresenta il calore di reazione prodotto per unità di peso
(con temperatura iniziale di 25°C) derivante, principalmente dalle seguenti
reazioni:
• C + O2 = CO2 + 8130 kcal/(kg di C);
• 4H + O2 = 2H2O +34500 kcal/(kg di H2);
• S + O2 = SO2 + 2600kcal/(kg di S).
Si deve distinguere fra potere calorifico superiore (PCS) che include il calore di
condensazione dell’H2O e il potere calorifico inferiore (PCI) che non include la
condensazione dell’H2O. Entrambi sono misurati sperimentalmente (calorimetria). Nella
tabella seguente sono riportati i valori del PCI dei principali combustibili.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 118
Maines Fernando
combustibile
PCI (kcal/kg – kcal/m3)
legna da ardere
torba
carbone di legna
lignite
litantrace
antracite
coke
olio combustibile
combustibile per
aerei
gasolio
benzina
petrolio grezzo
GPL
gas naturale
metano
2500 ÷ 4500
3000 ÷ 4500
7500
4000 ÷ 6200
6800 ÷ 9000
8000 ÷ 8500
7000
9800
10400
10200
10500
10000
11000
8300
11000 ÷ 12000
¾ la temperatura d’infiammabilità si definisce
esclusivamente per i combustibili liquidi
infiammabili ed è la temperatura minima alla
quale i suddetti liquidi emettono vapori in
quantità tali da incendiarsi in caso di innesco.
La benzina, ad esempio, ha una temperatura
di infiammabilità uguale a – 20°C, infatti a
temperatura ambiente emette vapori in grado
di incendiarsi anche con un piccolo apporto di
energia termica (innesco);
¾ la temperatura di accensione o di
autoaccensione (innesco) è la temperatura
minima alla quale la miscela combustibilecomburente inizia a bruciare spontaneamente
in modo continuo senza ulteriore apporto di
calore o di energia dall’esterno. Per il legno la temperatura di accensione è di
circa 250°C; la benzina ha una temperatura di accensione di 250°C mentre il
gasolio ha una temperatura di accensione di 220°C, ciò indica che il gasolio se
riscaldato inizia a bruciare spontaneamente prima della benzina, mentre il
metano ha una temperatura di accensione dell’ordine di 530°C;
¾ contenuto in zolfo: a tale valore sono proporzionali le emissioni di biossido di
zolfo che, a contatto con l’aria, producono le piogge acide;
¾ la resistenza alla detonazione cioè la tendenza del combustibile ad autoadescarsi
a causa di particolari condizioni ad esempio, pressione elevate;
¾ richiesta di eccesso d’aria per completare la combustione, rispetto alla quantità
stechiometrica.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 119
Maines Fernando
15 Le caldaie
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 120
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 121
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 122
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 123
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 124
Maines Fernando
Le caldaie sono dispositivi che permettono di
concentrare il combustibile e di farlo incontrare nel
migliore dei modi col comburente, cioè l’ossigeno,
per facilitare e ottimizzare la combustione;
consentono, inoltre, di trasferire il calore, che si
libera dalla combustione, a un fluido vettore,
incaricato di trasportarlo al luogo di utilizzo.
Esistono tanti tipi di caldaie che si differenziano
per le seguenti caratteristiche:
¾ tipo di combustibile utilizzato: gasolio,
metano, legna, biomasse, …;
¾ fluido vettore (aria, acqua, olio diatermico)
e relativa temperatura;
¾ tipo di focolare (a combustibile solido, a
combustibile liquido, …);
¾ tipo di combustione: in depressione, a
tiraggio naturale, a tiraggio pressurizzato, a fiamma diritta, laterale o rovescia;
¾ tipo di scambiatore:
¾ a tubi di fumo: i prodotti di combustione percorrono un fascio di tubi posti in
una camera immersa nel fluido vettore;
¾ a tubi d’acqua (o d’aria, …): il fluido vettore percorre un fascio di tubi posti in
una camera dove transitano i prodotti della combustione.
¾ pressione massima di esercizio;
¾ la circolazione del fluido vettore (assistita, forzata o naturale);
¾ tipo di installazione: fissa, semifissa (impianto con relativa facilità di
spostamento) o locomobile (impianto carrellato, …).
Le caldaie sono un sistema complesso costituito da diversi componenti:
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 125
Maines Fernando
¾ il sistema di carico del combustibile: nel caso di un combustibile immagazzinato
in una cisterna o in un silos è necessaria la presenza di una pompa o di una
coclea per alimentare la combustione;
¾ il bruciatore: è un elemento essenziale per le
caldaie che sono alimentate da combustibili
liquidi o gassosi in quanto favorisce la
formazione di una miscela intima tra
combustibile gassoso e aria oppure una fine
polverizzazione nel caso di combustibili
liquidi (polverizzazione che viene facilitata da
un preventivo riscaldamento del combustibile
al fine di ridurne la viscosità);
¾ il sistema di pressurizzazione: può agire in
aspirazione, in spinta o in entrambi i modi;
¾ la camera di combustione o focolare, dove si
sviluppa la fiamma (generalmente si
raggiungono i 700 °C);
¾ lo scambiatore di calore: insieme dei dispositivi che consente al fluido vettore di
ricevere il calore posseduto dai prodotti della combustione;
¾ la camera di raccolta delle ceneri: dimensione e collocazione dipendono dal tipo
di combustibile utilizzato. Nel caso di caldaie a legna o a biomassa, vista la
quantità non trascurabile di cenere prodotta, sono stati messi a punto sistemi
automatici discontinui o in continuo per l’allontanamento dei residui di
combustione;
¾ il camino per l’allontanamento dei fumi di combustione: il tiraggio può essere
naturale solo se si ha una temperatura maggiore di 250 °C ed un sufficiente
dislivello; è preferibile assicurare una maggiore efficienza mediante sistemi di
tiraggio forzato (in aspirazione o in pressione);
¾ il sistema di controllo e regolazione: verifica costantemente che non aumentino
troppo la temperatura e la pressione ed il corretto funzionamento dei singoli
dispositivi (bruciatore, pressurizzatore, alimentazione combustibile, circolazione
fluido vettore, …).
1.
Corpo della caldaia
20.
Interruttore
2.
Portina di caricamento legna
22.
Regolatore del rendimento
3.
Portina dell’inceneritore legna
23.
Serpentina di raffreddamento
4.
Ventilatore del tiraggio
24.
Termostato di regolazione
5.
Pezzo sagomato refrattario ugello
25.
Pannello della portina
6.
Pannello di comando
26.
Guarnizione della portina
7.
Termostato di sicurezza
27.
Ceramica tetto
8.
Valvola animella di regolazione
28.
Bruciatore di pellets, metano oppure OECL
9.
Pezzo sagomato refrattario estensione del vano sferico
29.
Pezzo sagomato refrattario vano sferico
10.
Pezzo sagomato refrattario vano sferico
30.
Pezzo sagomato refrattario rivestimento del vano sferico
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
11.
12.
pag. 126
Guarnizione ugelli
Portina per bruciatore di pellets
Maines Fernando
31.
Pezzo sagomato refrattario vano sferico legna
32.
Pezzo sagomato refrattario parte poster. del vano sferico
legna
13.
Valvola animella d’accensione della caldaia
33.
Termostato per la pompa
14.
Pezzo sagomato refrattario parte posteriore del vano sferico
34.
Fusibile (6,3 A)
15.
Coperchio di pulizia
35.
Termostato dei combustibili
16.
Diaframma
36.
Selettore
17.
Barra della valvola d’accensione
37.
Interruttore di spegnimento con pulsante
18
Termometro
39.
Termostato per la pompa
19.
Diaframma focolare
40.
Punto di misurazione per l’analizzatore dei combustibili
Le caldaie alimentate a gas e a gasolio sono le più utilizzate
grazie ad alcuni indubbi vantaggi:
¾ facilità di reperimento e di approvvigionamento del
combustibile;
¾ ridotto fabbisogno di volume di stoccaggio dei
combustibili;
¾ ridotta produzione di ceneri.
Nonostante ciò, l’impatto ambientale legato alla
combustione dei combustibili fossili, la dipendenza
energetica da paesi stranieri e politicamente instabili stanno
favorendo una sempre maggiore diffusione delle caldaia a
biomasse in grado, cioè, di bruciare materiali di natura
organica (residui di potatura, residui delle attività forestali o
dell’industria del legno, sottoprodotti delle attività di
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 127
Maines Fernando
trasformazione dei prodotti agricoli, …), altrimenti destinati alla condizione di rifiuto.
Molte sono le soluzioni tecniche adottate per migliorare le prestazioni delle caldaie a
biomassa: i sistemi di stoccaggio e di alimentazione del combustibile (silos e sistemi a
coclea per materiali cippati o pellettati), i dispositivi automatici per lo scarico in continuo o
in discontinuo delle ceneri, i sistemi di regolazione automatica e le soluzioni per
migliorare il rendimento di combustione27. In particolare si interviene sul sistema di
alimentazione dell’aria che può essere:
¾ ad aspirazione atmosferica senza elettroventilatore;
¾ ad aspirazione sui fumi con elettroventilatore (questo sistema inoltre consente di
aprire lo sportello a caldaia accesa senza fuoriuscita di fumo);
¾ con ventilatore spingente sui fumi.
I migliori risultati in termine di rendimento si ottengono con focolari a fiamma inversa
nei quali l’aria viene insufflata verso il basso in
modo che la fiamma interessi solo la massa di
combustibile che la alimenta28, diversamente da
quanto accade normalmente con i sistemi
tradizionali a combustione montante (la fiamma
investe l’intera massa del materiale). Pertanto la
fiamma inversa scende verso il basso consumando
progressivamente in un paio d’ore la carica di legna.
Il funzionamento risulta meno discontinuo con una
conseguente minore produzione di condense ed
incrostazioni corrosive. L’inserimento di un
accumulatore termico inerziale consente di
rilasciare il calore ad intermittenza e ad una
temperatura più bassa di quella di lavoro della
caldaia a legna, che è superiore ai 70°. Il rendimento
27Il rendimento di combustione rappresenta la percentuale dell’energia derivante dalla combustione
trasferita al fluido termovettore, rispetto all’energia termica contenuta nel combustibile.
28 Su questo principio si basano in parte le caldaie a combustione orizzontale nelle quali il flusso d’aria è
trasversale e raggiunge lateralmente la massa del combustibile.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 128
Maines Fernando
di queste caldaie è di solito molto efficiente (70 ÷ 80 % rispetto al 60 % delle caldaie a legna
tradizionali) e possono essere equipaggiate di vari dispositivi, tra cui regolatori di tiraggio
termo meccanico, controllo elettronico della temperatura fumi, ecc.
Esistono oggi caldaie, definite caldaie ad alto rendimento energetico (caldaie 4 stelle29),
caratterizzate da rendimenti superiori al 90%30 (riferiti alla percentuale dell’energia
derivante dalla combustione trasferita al fluido termovettore); richiedono un maggior
investimento iniziale, ma il maggior risparmio nel medio-lungo termine consente brevi
tempi di ammortizzamento. Le principali tecnologie disponibili sul mercato sono:
¾ caldaie a premiscelazione dotate di un particolare bruciatore in cui la
combustione avviene in condizioni ottimali grazie al perfetto bilanciamento fra il
combustibile e l’aria comburente in modo da mantenere costante il rendimento
anche con funzionamento a carico parziale, cioè in corrispondenza di una
richiesta di calore inferiore alla massima potenzialità dell’impianto;
¾ caldaie a condensazione in grado di recuperare parte del calore31 posseduto dei
gas di scarico sotto forma di vapore acqueo (i gas di scarico escono ad una
temperatura di circa 40°C invece che di 110°C). Queste
caldaie esprimono il massimo delle prestazioni quando
vengono utilizzate con impianti funzionanti a basse
temperature (30 ÷ 50°C);
¾ caldaie modulari: in tutti quei casi nei quali il fabbisogno
termico è molto variabile nel tempo, è possibile adottare
gruppi termici costituiti da due o più caldaie comandate
“in cascata” da centraline elettroniche, in grado di
determinare le accensioni e gli spegnimenti dei moduli in
cascata
secondo
l’effettiva
richiesta
energetica
dell’impianto, in funzione dei parametri impostati (curva
di compensazione climatica) e di quelli rilevati dalle sonde
29
Le caldaie sono classificate secondo la loro efficienza energetica calcolata sulla potenza nominale (classificazione
definita nel Decreto del Presidente della Repubblica del 15 novembre 1996, n. 660), in quattro classi di rendimento, da
1 a 4 stelle.
30
Una caldaia tradizionale ha un rendimento dell’85%.
31
La quota di energia recuperabile tramite la condensazione è nell’ ordine del 16 ÷ 17%.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 129
Maines Fernando
(temperatura esterna e temperatura acqua in mandata all’impianto). Nel caso in
cui si lavori a carico ridotto il sistema attiverà solo alcune delle caldaie modulari
che lavoreranno così a pieno carico mentre le altre rimarranno in stand-by pronte
ad attivarsi non appena l’edificio necessiti di un maggior apporto calorico;
¾ caldaie modulanti: un apposito sistema agendo sul flusso del gas regola la
fiamma in base alla richiesta termica e ad altri parametri in modo da non
mandare la fiamma sempre al massimo. In questa maniera avremo a
disposizione la potenza desiderata evitando dispendiosi accendi/spegni della
caldaia;
¾ caldaie a temperatura scorrevole: questi generatori sono caratterizzati da una
temperatura di mandata variabile, in funzione della richiesta del carico
dell’impianto e quindi rapportata alle condizioni climatiche. Essi consentono il
raggiungimento di elevati valori del rendimento a carico parziale e dunque del
rendimento medio stagionale. Nel caso di bassa temperatura di mandata si
riducono anche le perdite di distribuzione ed di emissione.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 130
Maines Fernando
16 Digestori anaerobici e gassificatori
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 131
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 132
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 133
Maines Fernando
La meccanizzazione è un processo che ha indotto un progressivo aumento dei
fabbisogni di energia. Per ridurre tale dipendenza e gli elevati costi connessi, diverse sono
le strategie che si possono adottare:
¾ riduzione degli sprechi mediante attività di sensibilizzazione e di addestramento
del personale: è questa una strategia praticamente a costo zero che può
comportare una sensibile riduzione della bolletta energetica;
¾ razionalizzazione dei processi produttivi: questa attività comporta notevoli
benefici non solo dal punto di vista energetico, con vantaggi notevolmente
superiori rispetto ai costi;
¾ adozione tecnologie ad alti rendimenti e l’utilizzo di energie rinnovabili che
riducono l’impatto sull’ambiente e la dipendenza dalle fonti energetiche
tradizionali. In questo caso è importante effettuare una valutazione preventiva
del rapporto tra costi e benefici, visto la necessità di investimenti non indifferenti.
16.1 Digestori anaerobici
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 134
Maines Fernando
La digestione anaerobica è un processo biologico per mezzo del quale, in assenza di
ossigeno, la sostanza organica (il rapporto C/N deve essere maggiore di 20 ÷ 30) viene
trasformata, ad opera di microrganismi, in biogas ed altri composti.
Il biogas è una miscela gassosa composta prevalentemente da metano (50 ÷ 75 %) e
anidride carbonica (25 ÷ 40 %), acido solfidrico (0,09 ÷ 0,20 %) e da altri composti e può
essere bruciato (il P.C.I. è di 1900 ÷ 2300 kJ/Nm2) per produrre elettricità, solitamente
tramite motore a scoppio o microturbina. Il gas è spesso utilizzato anche per la
cogenerazione, generando elettricità e sfruttando il calore per riscaldare gli stessi digestori
o effettuare il teleriscaldamento. Infine, se opportunamente trattato, viene utilizzato per
l’autotrazione.
Altri sottoprodotti della digestione anaerobica sono un digestato acidogenico e un
digestato metanogenico.
Il digestato acidogenico è un materiale organico stabile composto prevalentemente da
lignina e cellulosa, può essere utilizzato come il compost o per produrre materiale da
costruzione derivato da fibre di legno. Il digestato metanogenico, invece, rappresenta un
fertilizzante eccellente e ricco di nutrienti in quanto il processo di digestione anaerobica
non influisce sul contenuto di K, P ed N.
I settori in cui è possibile lo sfruttamento della digestione anaerobica sono ad esempio
quello agricolo (liquame, letame, pollina, scarti vegetali, mais, sorgo, paglia, insilati),
quello agro-alimentare (scarti di lavorazione, …), quello dei macelli e dei rifiuti.
La digestione anaerobica è suddivisibile in quattro stadi:
¾ idrolisi, dove le molecole organiche subiscono scissione in composti più semplici
quali i monosaccaridi, aminoacidi e acidi grassi;
¾ acidogenesi, dove avviene l’ulteriore scissione in molecole ancora più semplici
come gli acidi grassi volatili (ad esempio acido acetico, propionico, butirrico e
valerico), con produzione di ammoniaca, anidride carbonica e acido solfidrico
quali sottoprodotti;
¾ acetogenesi, dove le molecole semplici prodotte nel precedente stadio sono
ulteriormente digerite producendo biossido di carbonio, idrogeno e
principalmente acido acetico;
¾ metanogenesi, con produzione di metano, biossido di carbonio e acqua.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 135
Maines Fernando
La digestione anaerobica può essere effettuata sia a umido che a secco. Quella a secco si
riferisce a miscele di materiale con contenuto minimo in solidi del 30%, mentre quella a
umido si riferisce a miscele con un minimo del 15% di contenuto in solidi. Processi con
valori di secco intermedi sono meno comuni e vengono in genere definiti processi a
semisecco. Inoltre, in relazione al tipo di batteri utilizzati, la digestione anaerobica può
essere condotta o in condizione mesofile (circa 35°C), con tempi di residenza di 14 ÷ 30
giorni, o termofile (circa 55°C), con tempi di residenza inferiori ai 14 ÷ 16 giorni. In
quest’ultimo caso, le temperature più elevate permettono di velocizzare la digestione,
richiedendo solamente due settimane per giungere a completamento ma, il processo
termofilo ha un costo maggiore, richiede più energia ed è più critica dell’analogo processo
mesofilo. Quest’ultimo è quindi quello attualmente più utilizzato.
I digestori più comuni sono quelli continui: possiedono dispositivi meccanici o idraulici
che mescolano il materiale organico e ne estraggono in continuazione gli eccessi per
mantenere un volume ragionevolmente costante.
L’altra tipologia di digestori è quella discontinua, più semplice ma che ha lo svantaggio
di emettere odori e di possedere cicli di svuotamento problematici ed inoltre, una volta
avvenuta l’alimentazione iniziale e la chiusura del reattore, sull’intera massa trattata non
agisce alcun dispositivo per tutta la durata del processo.
Un’ulteriore classificazione distingue i digestori industriali da quelli semplificati (detti
anche impianti compatti). Questi ultimi, caratterizzati da rendimenti decisamente minori,
richiedono investimenti decisamente minori ed interventi contenuti sia in termini di
tempo che di competenza tecnica.
In generale l’impianto è composto dal digestore, da un impianto di termostatazione e
omogeneizzazione, da un impianto di missaggio e da un gasometro per l’accumulo del
biogas prodotto.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 136
Maines Fernando
16.2 Gasificatori
Il processo di gassificazione è un processo termico ad elevata temperatura (800 ÷
1000°C) che trasforma un combustibile solido, anche costituito da rifiuti e biomasse di
varia natura (purché con rapporto C/N maggiore di 30), in un syngas (detto anche gas
povero in quanto il P.C.I. è di 1700 ÷ 1900 kcal/Nm3), un gas combustibile che può essere
utilizzato nei bruciatori delle centrali termiche per la produzione di solo calore oppure in
motori a combustione interna per la produzione di energia elettrica e termica
(cogeneratori). La gassificazione, dunque, consente di sostituire i tradizionali combustibili
liquidi e gassosi con quelli solidi, come carbone, legno o residui dell’agricoltura, per
impianti di piccola e media dimensione.
Partendo da combustibili naturali l’intero processo è ecologicamente sostenibile poiché
le emissioni sono costituite esclusivamente da gas combusti, a loro volta formati da
anidride carbonica e vapore acqueo, e da ceneri contenenti le sostanze minerali che in
origine costituivano il legno.
Gli impianti che sfruttano questo processo per ricavare combustibili gassosi per la
produzione di energia sono i gasificatori. In essi la gassificazione può iniziare quando la
biomassa viene introdotta dall’alto del gasificatore, da dove scende verso la parte più
stretta del reattore ed incontra l’aria a temperature elevate. Successivamente, la
combustione della biomassa innesca quattro processi termochimici:
¾ essiccazione: all’interno del gasificatore la biomassa si surriscalda e perde tutto il
contenuto idrico, che si trasforma in vapore acqueo. La biomassa entra nella zona
di pirolisi in fase anidra (0% di umidità relativa);
¾ pirolisi: è un processo termochimico che decompone la biomassa. Si innesca tra i
150° e 800°C, in forte carenza di ossigeno. I prodotti di pirolisi sono gassosi,
liquidi e solidi, a seconda della biomassa usata;
¾ combustione: è l’ossidazione della biomassa e dei derivati della pirolisi. Avviene
in forte carenza di ossigeno, a una temperatura tra 1.000 ÷ 1.100 °C. L’aria
comburente entra nella zona di combustione attraverso degli ugelli dimensionati
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 137
Maines Fernando
per
avere
una
combustione
ipoaerobica (soffocata). Gli idrocarburi
vengono trasformati in gas (C+O2 →
CO2);
¾ riduzione: i gas prodotti dalla
combustione passano attraverso un
letto di carbone a circa 600 ÷ 800°C. Il
letto di carbone è costantemente
alimentato dalla combustione stessa, e
contribuisce a rigenerare il gas,
aumentandone il potere calorifico
(CO2+C → 2CO ; HO2+C → H2+CO);
¾ apparato di filtrazione e di lavaggio
del gas.
I principali tipi di gasificatori sono classificati
per tipologia e suddivisi in due categorie:
gasificatori a letto fisso o gasificatori a letto
fluido.
I gasificatori a letto fisso sono costituiti da un contenitore cilindrico che nella parte
bassa contiene una griglia per sostenere la massa e per permettere che l’aria o il gas
passino e che la cenere venga scaricata.
¾ nella versione updraft l’agente ossidante parte dal basso e incontra il
combustibile inserito dalla parte alta del cilindro al centro del contenitore;
¾ nella versione downdraft il flusso di biomassa, comburente e gas avviene
dall’alto verso il basso. Il gas prodotto esce dal basso assieme alla cenere,
¾ i gasificatori crossdraft funzionano in modo simile ai precedenti con la differenza
che il combustibile viene iniettato dall’alto, l’ossidante è immesso
trasversalmente e l’uscita del gas si ha lateralmente. Punto debole è la ridotta
capacità di conversione degli idrocarburi
complessi.
Nei gasificatori a letto fluido, la camera di
combustione è parzialmente riempita con materiale
inerte, quale la sabbia, che viene fluidificato dall’aria di
combustione primaria in modo da costituire il “letto
bollente”. I gasificatori a letto fluido operano a
pressione atmosferica. Due le possibili configurazioni:
¾ nel gasificatore a letto bollente sono presenti
due fasi: una fluida nella parte inferiore ed
una gassosa nella parte superiore del
contenitore. In quello a letto circolante le fasi
non sono separate, per cui il gas che esce dal
reattore dovrà essere separato dalle particelle
solide trasportate dal flusso, le quali saranno
reinserite nel reattore;
¾ il gasificatore a letto trascinato utilizza il
combustibile solido atomizzato e viene
miscelato con vapore o ossigeno e gassificato
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 138
Maines Fernando
a temperature superiori a 1200°C.
La gasificazione può utilizzare all’incirca qualsiasi materiale organico, incluse le
biomasse e i rifiuti plastici; i più utilizzati sono le biomasse, i rifiuti organici, i rifiuti solidi
urbani anche non selezionati, i rifiuti industriali, i rifiuti speciali gli pneumatici. Inoltre
questo processo può produrre un’ampia varietà di combustibili, risultando un metodo
estremamente efficiente per estrarre energia dalla biomassa. La gassificazione della
biomassa è quindi una delle tecnologie più versatili ed economiche nell’ambito delle
energie rinnovabili.
La gassificazione su scala industriale è attualmente utilizzata principalmente per
produrre elettricità da combustibili fossili come il carbone, con il syngas prodotto che
viene bruciato in una turbina a gas o in motori alternativi recuperati di grande taglia.
I vantaggi principali di un impianto di gassificazione sono rappresentati dal modesto
ingombro (nel caso degli impianti di piccolo taglio), dal bassissimo impatto ambientale che
esso produce, dall’elevato rendimento di generazione elettrica e dalle buone prospettive di
utilizzo in impianti di teleriscaldamento.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 139
Maines Fernando
17 Le tecnologie solari
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 140
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 141
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 142
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 143
Maines Fernando
Quelle solari sono tecnologie ormai mature, in grado di
dare un significativo contributo alla riduzione
dell’emissione di gas serra (in particolare anidride
carbonica), derivante dalla combustione dei combustibili
fossili che utilizziamo per scaldarci o per generare
corrente elettrica.
Oggi è possibile riscaldare l’acqua con i pannelli solari e
produrre energia elettrica mediante i pannelli fotovoltaici
in modo efficiente ed economicamente conveniente anche
grazie alle diverse forme di incentivazione fiscale e
finanziaria.
Per massimizzare la convenienza economica è
necessario studiare accuratamente i parametri principali
di installazione: livello di irraggiamento, livello di
inquinamento e condizioni atmosferiche. Inoltre è bene
dimensionare gli impianti in funzione dei consumi, in
particolare di acqua calda. Infatti nel caso degli impianti
fotovoltaici, vi è ora la possibilità di produrre energia è immettere nella rete elettrica
l’eventuale surplus di energia elettrica prodotta, contabilizzato da apposito contatore; a
fine anno si effettuerà un conguaglio fra l’energia prodotta e quella consumata.
17.1 Pannelli solari
Il pannello solare termico, detto anche collettore solare, è un dispositivo atto alla
conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento verso un
accumulatore per un uso successivo. Questa tecnologia (detta nel suo complesso solare
termico) è composta in primo luogo da un pannello che riceve l’energia solare e da uno
scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferire il calore al serbatoio di
accumulo. Il sistema può avere due tipi di circolazione: naturale o forzata.
Nel caso della circolazione naturale, per far circolare il fluido vettore nel sistema solare
si sfrutta la convezione. Il liquido vettore riscaldandosi nel pannello solare si dilata e
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 144
Maines Fernando
galleggia rispetto a quello più freddo presente nello scambiatore del serbatoio di
accumulo, creando così la necessaria corrente di spostamento. Pertanto è necessario che il
serbatoio di accumulo sia installato in posizione più alta rispetto al pannello solare. Il
fluido vettore usato nel circuito primario è glicole propilenico atossico (comunemente
conosciuto come antigelo) miscelato con acqua in una percentuale tale da garantire una
adeguata resistenza al gelo. La disposizione più funzionale per il serbatoio sarebbe quella
verticale per favorire la stratificazione del calore accumulato ma sarebbe decisamente
antiestetica. La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, risulta essere più sensibile
alle perdite di carico del circuito primario e vengono, quindi, realizzati sistemi kit
compatti ove il serbatoio di accumulo è sito molto vicino al pannello solare. Il serbatoio di
accumulo coibentato è posto all’esterno e si ha comunque una inevitabile dispersione
termica del calore raccolto ed è poco adottato in regioni fredde e nevose quali quelle
montane. Un impianto a circolazione naturale con serbatoio esterno è adatto in regioni con
temperature notturne non rigide.
La circolazione forzata, invece, avviene con l’aiuto di pompe solo quando nei pannelli
il fluido vettore si trova ad una quota più elevata rispetto a quella del serbatoio di
accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori che confrontano la
temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo
(termocoppia). In tali impianti ci sono meno vincoli per l’ubicazione dei serbatoi di
accumulo. La maggiore velocità del fluido vettore permette un maggiore scambio termico
e quindi il rendimento del pannello è leggermente superiore, anche perché si possono
utilizzare proficuamente tecnologie e
materiali il cui costo non sarebbe
giustificato in un impianto a circolazione
naturale. Anche in questo caso il circuito
idraulico
collegato
al
pannello
è
normalmente chiuso e separato da quello
dell’acqua che riscalda, posizionando una
serpentina nel serbatoio come scambiatore
di calore.
I pannelli solari si possono suddividere
in alcune tipologie costruttive:
Il collettore piano è il sistema più
utilizzato per ottenere acqua o aria a
temperature comprese fra i 50 °C e i 90 °C.
Un collettore piano è costituito da:
• una lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca
quelle in uscita;
• un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore, in cui sono
ricavati molti canali dove circola acqua o aria. Il sole scalda la piastra, che a
sua volta scalda l’acqua o l’aria;
• isolante termico, che impedisce la dispersione di calore.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 145
Maines Fernando
Esistono pannelli non vetrati allo scopo di contenere i costi. Il loro rendimento, ottimo
in condizioni ottimali di irraggiamento e temperatura esterna alta, diminuisce
rapidamente all’allontanarsi dalle condizioni ottimali, a causa della mancanza
dell’isolamento. Sono adatti perciò esclusivamente per la produzione di acqua calda
sanitaria al solo uso stagionale (ad esempio nel riscaldamento delle piscine) con una
temperatura ambiente di almeno 20°C; la temperatura massima dell’acqua non supera i
40°C.
I pannelli solari vetrati hanno una struttura
attorno all’assorbitore che ne limita le dispersioni
sia per convezione con l’aria che per
irraggiamento dato che il vetro è opaco alla
radiazione infrarossa in uscita. Hanno un
rendimento leggermente inferiore ai non vetrati
in condizioni ottimali ma in condizioni meno
favorevoli hanno un rendimento decisamente
più alto arrivando a produrre acqua calda per
uso sanitario da marzo a ottobre. In particolare i
pannelli solari sottovuoto sono in grado di
garantire un maggiore apporto energetico anche
in condizioni di basso irraggiamento o basse
temperature esterne.
Nel caso dei pannelli solari vetrati con aria calda il fluido circolante è aria anziché
acqua, che viene fatta circolare tra vetro e assorbitore o, in alcuni casi, in una intercapedine
ricavata tra l’assorbitore ed il fondo di poliuretano isolante.
I collettori solari piani sono principalmente utilizzati per fornire acqua calda sanitaria o
per impianti di riscaldamento a pannelli radianti (impianti, cioè, che utilizzano fluidi a
temperature non elevate). Pertanto il fluido caldo proveniente dal collettore percorre una
serpentina posta in un serbatoio dove potrà cedere il calore all’acqua immagazzinata,
senza rischi di contaminazione. Purtroppo questi collettori non possono sostituire
completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell’incostanza e dell’aleatorietà
dell’energia solare.
I collettori solari parabolici sono costituiti da superfici a specchio disposte secondo una
configurazione in grado di riflettere tutti i raggi solari incidenti in un punto, detto fuoco,
dove è collocato una tubazione percorsa da olii diatermici. Il grado di concentrazione
dell’energia solare è tale che il fluido circolante può raggiungere temperature
particolarmente elevate (200 ÷ 400°C) in grado di portare, mediante apposito scambiatore,
dell’acqua in ebollizione. Il vapore espandendosi in turbina potrà alimentare un
alternatore per la produzione di energia elettrica. Si tratta di sistemi tecnologicamente
impegnativi che richiedono elevati investimenti soprattutto nel caso di impianti ad
inseguimento in grado di seguire il movimento del sole.
In conclusione ricordiamo che un impianto base a collettore piano, in funzione
all’ubicazione e all’utilizzo, si ammortizza nel giro di 3 ÷ 8 anni e poiché la durata minima
di questi impianti è di 15 ÷ 20 anni ne consegue che è un buon investimento a medio
termine (dal calcolo sono esclusi eventuali sgravi fiscali o altre forme di agevolazione che
rendano l’ammortamento più rapido).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 146
Maines Fernando
17.2 I generatori fotovoltaici
I generatori fotovoltaici si basano sulla capacità
di alcuni materiali semiconduttori (in particolar
modo il silicio), se opportunamente trattati, di
convertire l’energia della radiazione solare
incidente in energia elettrica in forma di corrente
continua mediante effetto fotovoltaico. Si
utilizzano moduli composti da celle32 collegate in
serie, capaci di determinare una potenza in uscita
da 50 a 100 Watt. L’impianto è completato dai
seguenti dispositivi:
¾ l’inverter di rete per adattare la corrente
continua derivante dalle stringhe ai
parametri di utilizzo o di immissione in
rete (generalmente 220 V e 50 Hz);
¾ contatore di produzione per contabilizzare la totalità dei kWh prodotti;
¾ serie di batterie per l’accumulo dell’energia elettrica prodotta nei momenti di non
utilizzo (nel caso di sistemi stand-alone di un utenza isolata);
¾ contatore bidirezionale (nel caso di sistema che opera in parallelo alla rete
elettrica) per contabilizzare l’energia elettrica in entrata e
quella in uscita.
Di tale tecnologia si evidenziano la modularità, le ridotte
esigenze di manutenzione, la semplicità di utilizzo, un impatto
ambientale estremamente basso e, soprattutto, la consapevolezza
che per ogni kWh prodotto si evita un’emissione in atmosfera di
0,53 kg di CO2. Il sistema, purtroppo, si caratterizza per i ridotti
rendimenti33 e per gli elevati costi di investimento. Per favorire la
diffusione di tali tecnologie è stato istituito il Conto Energia che
prevede l’attribuzione di una tariffa incentivante34, per un periodo
di 20 anni, per ogni kWh prodotto con impianto fotovoltaico
connesso alla rete elettrica, di almeno 1 kWp. A tale beneficio si
deve aggiungere il risparmio dovuto all’autoconsumo e/o
connesso alla vendita dell’energia elettrica. Inoltre per l’acquisto e
la realizzazione35 dell’impianto fotovoltaico si applica l’aliquota
32
Ogni cella, generalmente di forma quadrata di 10 cm di lato, è in grado di sviluppare, nelle condizioni di soleggiamento tipiche
italiane, una potenza di circa 1,5 W. Le celle vengono collegate a formare un modulo fotovoltaico (in grado di fornire una potenza
elettrica compresa fra 50 e 100 W), collegati a loro volta in serie per formare una stringa. Queste possono essere collegate in parallelo a
formare un campo fotovoltaico.
33 Le prestazioni dei pannelli fotovoltaici variano in modo significativo in base all’irraggiamento (intensità ed angolazione) e al
rendimento dei materiali utilizzati. Indicativamente si riscontrano rendimenti del 16% con celle in silicio cristallino (riconoscibile per
l’omogenea colorazione blu), del 10 ÷ 12% per le celle in silicio policristallino (presentano un disegno ben distinguibile) e del 6% nel
caso di celle in silicio amorfo (caratteristico colore scuro). Tali valori si riferiscono ad un’esposizione ideale, ortogonale al sud e con
inclinazione rispetto all’orizzonte di circa 10° di angolo inferiore alla latitudine locale.
34 Le tariffe incentivanti variano in funzione della classe di potenza nominale di impianto (da 1 a 3 kWp, da 3 a 20 kWp, maggiore di
20 kWp) e del livello di integrazione architettonica (impianti non integrati, impianti parzialmente integrati e impianti integrati).
35 Salvo casi particolari (presenza di vincoli urbanistici), è sufficiente presentare alla Commissione edilizia una Dichiarazione di
inizio attività (Dia). Nel caso di aree classificate agricole, non è necessario richiedere il cambio di destinazione d’uso e, per impianti di
potenza inferiore a 20 kWp, non si è soggetti alla verifica dell’impatto ambientale.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 147
Maines Fernando
Iva del 10%;
Le tecnologie di realizzazione più comuni sono:
¾ moduli in silicio monocristallino, in cui ogni cella è realizzata a partire da un
wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo);
¾ moduli in silicio policristallino, in cui il wafer non è strutturalmente omogeneo
ma organizzato in grani localmente ordinati;
¾ moduli a film sottile. Si può utilizzare:
• silicio microsferico (silicio policristallino ridotto in sfere del diametro di
circa 0,75 mm ingabbiate in un substrato di alluminio) montato su modulo
flessibile;
• silicio amorfo, in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in
forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di
sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio
(spessori dell’ordine del micron). I moduli in silicio amorfo dimostrano in
genere una efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori
nominali, pur avendo garanzie in linea con il mercato;
• tellururo di cadmio (CdTe);
• solfuro di cadmio (CdS) microcristallino, che presenta costi di produzione
molto bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non
richiede il raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie invece
alla fusione e purificazione del silicio. Esso viene applicato ad un supporto
metallico per spray-coating, cioè viene letteralmente spruzzato come una
vernice. Tra gli svantaggi legati alla produzione di questo genere di celle
fotovoltaiche vi è la tossicità del cadmio ed il basso rendimento del
dispositivo;
• arseniuro di gallio (GaAs): è una lega binaria con proprietà semiconduttive
in grado di assicurare rendimenti elevatissimi, dovuti alla proprietà di
avere un gap diretto (a differenza del silicio). Tuttavia il costo proibitivo del
materiale monocristallino, a partire dal quale sono realizzate le celle, lo ha
destinato ad un impiego di nicchia. Infatti viene impiegato soprattutto per
applicazioni militari o scientifiche avanzate (come missioni automatizzate
di esplorazione planetaria o fotorivelatori particolarmente sensibili);
• diseleniuro di indio rame (CIS), con opacità variabile dal 100% al 70%
ottenuta mediante fori ricavati direttamente nel film;
• diseleniuro di indio rame gallio (CIGS).
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 148
Maines Fernando
I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato.
Entrambe queste tecnologie sono costruttivamente simili, e prevedono che ogni cella
fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne
canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre mediante ribbon
metallici, in modo da formare opportune serie e paralleli elettrici. La cella fotovoltaica è
l’elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico. La versione più diffusa di
cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale
semiconduttore, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai
4 ai 6 pollici.
Sopra una superficie posteriore di supporto, in
genere realizzata in un materiale isolante con scarsa
dilatazione termica, come il vetro temperato o un
polimero come il tedlar, vengono appoggiati un
sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con
la sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi
mediante i già citati ribbon, un secondo strato di
acetato e un materiale trasparente che funge da
protezione meccanica anteriore per le celle
fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il
procedimento di pressofusione, che trasforma
l’EVA in mero collante inerte, le terminazioni
elettriche dei ribbon vengono chiuse in una
morsettiera stagna generalmente fissata alla
superficie di sostegno posteriore, e il “sandwich”
ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio,
che sarà utile al fissaggio del pannello alle
strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo
opportunamente verso il sole.
Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono
suscettibili di variazioni anche sostanziose in
base:
¾ al rendimento dei materiali;
¾ alla
tolleranza
di
fabbricazione
percentuale rispetto ai valori di targa;
¾ all’irraggiamento a cui le sue celle sono
esposte;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 149
Maines Fernando
¾ all’angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie;
¾ alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad “affaticarsi” in
ambienti caldi;
¾ alla composizione dello spettro di luce.
Per motivi costruttivi, il rendimento36 dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o
uguale al rendimento della loro peggior cella.
Alcuni pannelli, per uso aerospaziale, hanno rendimenti nominali che raggiungono
anche il 40%, e sono prodotti con materiali rari e costosi ed altamente tossici; per quanto
invece riguarda i prodotti commerciali a base silicea, il rendimento si attestano intorno ai
seguenti valori:
¾ 15% nei moduli in silicio monocristallino;
¾ 13% nei moduli in silicio policristallino;
¾ 6% nei moduli in silicio amorfo.
Ne consegue che ad esempio a parità di
produzione elettrica richiesta, la superficie occupata
da un campo fotovoltaico amorfo sarà più che
doppia rispetto ad un equivalente campo
fotovoltaico cristallino.
A causa del naturale affaticamento dei materiali,
le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune
diminuiscono di circa un punto percentuale su base
annua. Per garantire la qualità dei materiali
impiegati, la normativa obbliga una garanzia di
minimo due anni sui difetti di fabbricazione, anche
sul calo di rendimento del silicio nel tempo. La
garanzia oggi nei moduli di buona qualità è del 90%
sul nominale per 10 anni e dell’80% sul nominale
per 25 anni.
A tal proposito si ricorda che i moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 80
anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 35
÷ 40 anni, a causa della perdita di potenza dei moduli.
I moduli fotovoltaici più facilmente reperibili sul mercato sono in silicio cristallino con
dimensioni variabili da 0,5 m² a 1,5 m² (con punte di 2,5 m² in esemplari per grandi
impianti). Non vi è comunque particolare interesse a costruire moduli di grandi
dimensioni, a causa delle grosse perdite di prestazioni che l’intero modulo subisce
all’ombreggiamento (o malfunzionamento) di una sua singola cella.
La potenza più comune si aggira intorno ai 150 Wp a 24 V, raggiunti in genere
impiegando 72 celle fotovoltaiche. La superficie occupata dai modelli commerciali si
aggira in genere intorno ai 7,5 m²/kWp, ovvero sono necessari circa 7,5 metri quadrati di
superficie per ospitare pannelli per un totale nominale di 1.000 Wp.
36 Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta
sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra watt erogati e superficie
occupata, ferme restando tutte le altre condizioni.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 150
Maines Fernando
18 Gli impianti di cogenerazione
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 151
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 152
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 153
Maines Fernando
La cogenerazione è la produzione combinata di elettricità e calore. Nella cogenerazione
le due energie, cioè l’elettricità e il calore, sono prodotte in cascata, con un unico sistema.
La cogenerazione, pertanto, consente di realizzare significativi risultati in termini di
risparmio energetico e di abbattimento delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera
e quindi di contenimento del cosiddetto effetto serra. Infatti un impianto di cogenerazione
alimentato a metano permette, mediamente un risparmio di CO2, per ogni kW/h prodotto,
pari a 450 grammi, se confrontato con la produzione separata di energia elettrica (centrale
termoelettrica) ed energia termica (caldaia convenzionale).
Infatti un impianto convenzionale di produzione di energia elettrica ha una efficienza di
circa il 35%, mentre il restante 65% viene disperso sotto forma di calore che, normalmente
non viene utilizzato. Con un impianto di cogenerazione, invece, il calore prodotto dalla
combustione non è disperso ma recuperato per altri usi. In questo modo la cogenerazione
raggiunge un’efficienza superiore al 90%.
Oltre alle maggiori dispersioni energetiche che si riscontrano nella produzione separata
di energia termica ed elettrica, rispetto alla produzione combinata, occorre considerare le
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 154
Maines Fernando
perdite per dispersione elettrica nella distribuzione e nel trasporto, stimate al 16, 5% della
produzione.
In una centrale di cogenerazione il calore di scarico della macchina per la produzione di
energia elettrica ha livelli termici elevati e di conseguenza può essere riutilizzato in diversi
modi:
¾ per la produzione di acqua calda, da utilizzare per usi civili o industriali;
¾ per la produzione di vapore per il teleriscaldamento, oppure per un utilizzo nei
processi industriali, …;
¾ utilizzo diretto dei fumi per l’essiccamento;
¾ produzione di un’altra quota di energia elettrica (ciclo combinato).
L’entità del risparmio varia secondo le tecnologie impiegate ed in funzione delle
condizioni di utilizzo dell’energia elettrica e del calore prodotto. In via approssimativa tale
risparmio può essere stimato attorno al 35 ÷ 40%.
Tuttavia affiche tali vantaggi siano effettivi, occorre che l’impianto di cogenerazione sia
localizzati in prossimità delle aree ove l’energia elettrica ed il calore prodotto sono
utilizzati; questo fatto pone dei limiti alle dimensioni delle macchine utilizzate per la
cogenerazione, in quanto l’energia termica non può essere trasportata a grandi distanze in
modo economico.
I sistemi di cogenerazione si classificano sostanzialmente sulla base delle tecnologie
adottate dalle macchine e dai motori utilizzati. Essi sono riconducibili ai seguenti tipi
fondamentali:
¾ motori endotermici alternativi, a ciclo Otto e Diesel, da cui viene recuperato il
calore del circuito di raffreddamento del motore e dell’olio a bassa temperatura
(da 50 a 90 °C) e quello dei gas di scarico ad alta temperatura (circa 400-500 °C);
¾ turbine a gas, i cui gas di scarico (grazie agli elevati volumi ed alle alte
temperature) forniscono il calore richiesto in una caldaia a recupero, oppure
vengono utilizzati direttamente, come ad esempio nei processi di essiccazione;
¾ turbine a vapore a contropressione, alimentate con vapore surriscaldato, che
dopo aver attraversato la turbina dedicata alla produzione di energia elettrica,
viene scaricato a bassa pressione per alimentare utenze termiche (acqua sanitaria,
riscaldamento di ambienti, …).
A queste tipologie va aggiunto il ciclo combinato, in cui lo scarico delle turbine a gas
viene utilizzato per produrre vapore, che a sua volta può azionare una turbina.
I valori di rendimento medi, in potenza elettrica, riferiti al combustibile bruciato, nel
campo della piccola cogenerazione sono mediamente compresi nei seguenti ambiti:
¾ turbina a vapore 18 ÷ 20%;
¾ turbogas 23 ÷ 33%;
¾ motori alternativi 32 ÷ 40%.
Considerando, invece, il rendimento globale del sistema (energia termica ed energia
elettrica prodotta rispetto a quella introdotta come combustibile) si hanno:
¾ turbina a vapore 80 ÷ 90%;
¾ turbogas 70 ÷ 85%;
¾ motori alternativi 65 ÷ 90%.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 155
Maines Fernando
Di solito i combustibili utilizzati nella cogenerazione sono idrocarburi liquidi o gassosi.
Il più utilizzato è sicuramente il metano, preferito per il minor impatto ambientale; più
economici, ma più inquinanti, sono il carbone o la nafta (caratterizzata dall’alto tenore di
zolfo). Diverso il discorso relativo all’utilizzo delle biomasse, dei rifiuti solidi oppure dei
residui di produzione, in quanto al valore energetico ricavato dalla combustione si
aggiunge la valorizzazione di materiali altrimenti destinati a rappresentare un costo (spese
di allontanamento e di smaltimento) per l’imprenditore o per la comunità.
Forme assimilate di cogenerazione sono altri sistemi di produzione combinata di
energia meccanica e termica come:
¾ l’azionamento di pompe di calore con motore a gas per la climatizzazione nel
settore civile, industriale e di processo;
¾ l’azionamento di macchine frigorifere per l’industria e l’immagazzinamento;
¾ la produzione di aria compressa per i servizi nell’industria;
¾ la produzione di aria compressa per gli impianti di depurazione delle acque o
altri processi.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 156
Maines Fernando
Una particolare tecnologia di cogenerazione, detta tricogenerazione, oltre a produrre
energia elettrica, consente di utilizzare l’energia termica recuperata dalla trasformazione
anche per produrre energia frigorifera, ovvero acqua refrigerata per il condizionamento o
per i processi industriali. La trasformazione dell’energia termica in energia frigorifera è
resa possibile dall’impiego del ciclo frigorifero ad assorbimento il cui funzionamento si
basa su trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con la sostanza
utilizzata quale assorbente. Le coppie principali di refrigerante/assorbente usate sono
acqua - bromuro di litio e ammoniaca – acqua. In tal modo è possibile produrre acqua
refrigerata a 5 ÷ 7 °C, utilizzando acqua calda a 80 ÷ 95 °C o acqua surriscaldata a 110 ÷ 140
°C, oppure vapore saturo a 1,5 ÷ 2 bar.
Nel caso di grandi impianti di cogenerazione industriale (gestiti da aziende
municipalizzate o da altre società produttrici di energia elettrica), le grandi quantità di
calore prodotto consentono l’alimentazione di reti destinate al teleriscaldamento urbano. Il
calore, sotto forma di vapore acqueo, è trasportato anche a grande distanza per essere
utilizzato dagli utenti (condomini, edifici civili, ecc.) collegati alla rete, per sostituire la
caldaia del riscaldamento e non produrre così in loco i fumi di scarico.
L’applicazione del teleriscaldamento risulta conveniente laddove la centrale di
produzione si trovi vicino a importanti utenze termiche. Tuttavia, il risparmio teorico del
35 ÷ 40% rispetto ai sistemi tradizionali va ridimensionato a causa delle inevitabili spese di
costruzione e manutenzione della rete e delle perdite del trasporto di calore, riduzione
invece non risentita dalla cosiddetta micro cogenerazione diffusa. Infatti in questi casi il
calore viene prodotto ed utilizzato direttamente presso l’utenza che ha installato la
centrale di cogenerazione, che in genere autoconsuma anche tutta l’energia elettrica
autoprodotta.
Negli ultimi tempi nuove tecnologie e nuove macchine di piccola taglia (ad esempio con
potenza elettrica da a 5 ÷ 6 kW e una potenza termica da 10 a 13 kW), già ampiamente
testate e collaudate, permettono di realizzare una micro cogenerazione diffusa sul
territorio, per rispondere alle esigenze di elettricità e di calore di alberghi, condomini,
comunità, grandi edifici civili, ecc. Unico limite è dato dalla necessità di assicurare un
utilizzo medio di almeno 4500 ore/anno. Si utilizzano perlopiù motori alternativi
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 157
Maines Fernando
alimentati a gas metano (attualmente preferito per il moderato costo e il minor impatto
ambientale), GPL, gasolio o biodiesel; il calore recuperato deriva del circuito di
raffreddamento del motore e dell’olio a bassa temperatura (da 50°C a 90°C) e quello dei
gas di scarico ad alta temperatura (circa 400 ÷ 500°C).
Produrre insieme elettricità e calore con la micro cogenerazione, direttamente presso
l’utenza, in estrema sintesi comporta i seguenti grandi vantaggi:
¾ risparmiare energia primaria, nell’ordine del 35 ÷ 40%, diminuendo i costi
energetici.
¾ salvaguardare l’ambiente, emettendo in atmosfera minori quantità di anidride
carbonica;
¾ ridotte perdite nella distribuzione del calore (utilizzato in loco);
¾ ridotte perdite di distribuzione nell’energia elettrica (riversata direttamente nelle
linee a bassa tensione);
¾ limitazione delle cadute di tensione sulle linee finali di utenza;
¾ nessuna necessità di costruire grandi locali appositi;
¾ limitazione della posa di linee elettriche interrate o tralicci, a parità di risultati.
L’impianto dovrà essere dimensionato in base ai fabbisogni energetici, in particolare per
quelli di acqua calda in quanto questa, diversamente dall’energia elettrica, deve essere
utilizzata in tempi relativamente brevi. La fattibilità deve essere attentamente valutata
poiché la cogenerazione diventa tecnologicamente compatibile ed economicamente
conveniente qualora i fabbisogni di acqua calda richiedano un utilizzo dell’impianto
superiore alle 3500 ÷ 4500 ore (150 ÷ 190 giorni) d’uso annuo, tempi compatibili solo con
strutture medio-grandi. Per quanto, invece, riguarda il caso di fabbisogni variabili in modo
significativo nel corso dell’anno, è necessario adottare impianti di cogenerazione modulari
costituiti da più unità di micro cogenerazione a inserimento e disinserimento automatico.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 158
Maines Fernando
19 Le pompe di calore
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 159
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 160
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 161
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 162
Maines Fernando
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 163
Maines Fernando
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a
temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (pozzo caldo).
Il pozzo caldo è costituito dall’aria o dall’acqua da distribuire agli ambienti da
riscaldare. Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura
ed è possibile solo fornendo energia dall’esterno alla macchina che “pompa il calore”.
Tuttavia il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla capacità di fornire molta
più energia termica di quella che impiega per funzionare.
Il principio di funzionamento che sta alla base della pompa di calore è un ciclo
termodinamico chiamato ciclo frigorifero o ciclo a motore inverso.
A seconda di come viene fornita l’energia per l’innalzamento della pressione del fluido
refrigerante i circuiti frigoriferi si distinguono in:
¾ circuiti a ciclo di compressione meccanica: il lavoro viene fornito mediante
compressore;
¾ circuiti a ciclo termico o ad assorbimento: l’energia è di tipo termico, perciò di
tipo decisamente pregiato rispetto all’energia elettrica.
Da un punto di vista strutturale, la pompa di calore risulta costituita da un circuito
chiuso attraversato da un fluido frigorigeno (idrofluorocarburi HFC, NH3, CO2) e
composto dai seguenti dispositivi:
¾ una sorgente energetica (compressore o calore fornito dal circuito ad
assorbimento;
¾ un condensatore;
¾ una valvola di espansione;
¾ un evaporatore.
Il funzionamento si basa su un ciclo costituito dalle seguenti fasi:
¾ il fluido frigorigeno (f.f.) subisce un aumento di pressione mediante il
compressore (che fornisce al sistema il lavoro L), con conseguente aumento della
temperatura;
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 164
Maines Fernando
¾ il f.f. nel corso del passaggio attraverso il condensatore, passa dallo stato gassoso
allo stato liquido liberando al tempo stesso calore (Q1) che verrà raccolto dal
pozzo caldo;
¾ dopo avere lasciato il condensatore, il liquido ormai freddo, passa attraverso una
valvola di espansione in cui perde pressione;
¾ successivamente il liquido refrigerante, giunto nell’evaporatore, passa allo stato
gassoso acquistando calore (Q2)37 dalla sorgente fredda. A questo punto il f.f. può
ricominciare il ciclo transitando nel compressore.
Osservando lo schema rappresentato nella precedente immagine, si possono
individuare due semicicli: il semiciclo ad alta pressione ed il semiciclo a bassa pressione.
Generalmente questo ciclo può essere utilizzato in maniera reversibile, cosicché la
pompa sarà in grado di produrre operare il riscaldamento durante l’inverno ed il
raffrescamento durante l’estate (evitando l’acquisto di un condizionatore), semplicemente
invertendo il comportamento dei due scambiatori (condensatore ed evaporatore).
Le principali sorgenti fredde sono:
¾ l’acqua di falda (se non eccessivamente in profondità) o, se disponibili in
vicinanza, acque di fiume, di lago o di mare. Altre sorgenti possono essere
costituite da acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare.
Maggiore è la massa di acqua a disposizione, migliori risultano le prestazioni
della pompa di calore per la minore sensibilità alle variazioni climatiche esterne;
¾ il suolo: si utilizzano particolari evaporatori costituiti da tubazioni (chiamate
sonde geotermiche) inserite a profondità variabile in modo da sfruttare l’elevata
inerzia termica del terreno in grado di smorzare le variazioni (sia invernali che
estive) della temperatura atmosferica;
¾ l’aria dell’ambiente esterno ha il vantaggio di essere disponibile ovunque e di
non necessitare di autorizzazioni per il prelievo; tuttavia la potenza resa dalla
pompa di calore diminuisce con la temperatura in modo che l’efficienza del
sistema si riduce fortemente per temperature inferiori a 2 °C a causa di fenomeni
di formazione di eccessiva condensa e/o di ghiaccio sulle tubazioni
E’ fondamentale ricordare che la quantità di calore Q1 ceduta dal condensatore al pozzo caldo è dato
dalla somma di Q2 (calore acquistato dalla sorgente fredda) e del lavoro L fornito dal compressore.
37
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009
Elementi di meccanica agraria
pag. 165
Maines Fernando
dell’evaporatore;
¾ reflui o aria di ricircolo di impianti di condizionamento o di ventilazione.
Le pompe di calore più diffuse sono i classici climatizzatori presenti in uffici, case,
fabbriche; oltre a questi utilizzi, le pompe di calore trovano utilizzo nelle piscine, per il
riscaldamento dell’acqua, nelle fabbriche ma anche in cantina per la produzione di acqua
calda.
L’efficienza di una pompa di calore elettrica è misurata dal coefficiente di prestazione
(C.O.P.), che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed
energia elettrica consumata.
Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di
funzionamento ed ha, in genere, un valore minimo pari a 2,5. Questo vuol dire che per 1
kWh di energia elettrica consumato, fornirà al minimo 2,5 kWh di calore al mezzo da
riscaldare. L’efficienza sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il
calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene
assorbito (nell’evaporatore).
Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla
temperatura a cui la stessa assorbe calore. Quando la temperatura della sorgente fredda
raggiunge un valore compreso tra -2°C e 2°C, la pompa di calore si disattiva in quanto le
sue prestazioni si ridurrebbero significativamente.
Nel caso delle pompe di calore geotermiche funzionanti con acqua sotterranea si può
raggiungere valori del C.O.P. variabile da 3,6 a 5,2.
Le pompe di calore si caratterizzano per un ridotto impatto ambientale che si limita
all’impiego di energia elettrica utilizzata per concentrare il calore in una forma utilizzabile.
Tale impatto può essere ulteriormente ridotto nel momento in cui si utilizzi energia
elettrica prodotta a partire da fonti rinnovabili invece che da combustibili fossili. In ogni
caso, a parità di energia termica prodotta, le pompe di calore producono meno CO2
rispetto ai combustibili tradizionali.
La principale nota dolente è data dal costo di installazione che può essere fino a 2 volte
maggiore di quello di una caldaia tradizionale; è pertanto necessario effettuare una attenta
valutazione per verificare il periodo necessario per ammortizzare il surplus di
investimento che possibilmente non deve superare i 5 anni. Si tenga comunque presente
che le pompe geotermiche in particolare permettono mediamente un risparmio del 40% di
energia rispetto a quelle ad aria ed hanno un’aspettativa di vita di circa 20 ÷ 25 anni
(maggiore rispetto a quelle ad aria in quanto il compressore è sottoposto a minori
sollecitazioni meccaniche ed è protetto dall’ambiente).
Una particolare ambito di applicazione delle pompe di calore è quello
dell’appassimento (o essiccazione). Il processo prevede due diverse fasi:
¾ l’aria ambientale passando attraverso l’evaporatore si raffredda nel fornire il
calore necessario al passaggio di stato del f.f.; il raffreddamento determina il
raggiungimento dello stato di saturazione con conseguente condensazione di
parte dell’umidità dell’aria;
¾ successivamente l’aria (deumidificata) passa attraverso il condensatore
raccogliendo il calore ceduto dal f.f. nel passaggio a liquido.
Il processo consente di ottenere un flusso d’aria con una maggiore capacità di
assorbimento in quanto caratterizzato, rispetto all’aria esterna da un innalzamento termico
(4 ÷ 7 °C) ed un abbassamento dell’umidità relativa di 30 40 punti percentuale.
……………………………………………………………………………………………………..................
Classe III^S
Istituto Agrario S. Michele a/A
a.sc. 2008/2009