FIGURE PIANE E SOLIDE
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.2
MANUALE di Macchine
MANUALE di Macchine
FATTORI DI CONVERSIONE FRA LE UNITA’ DI MISURA
Unità di misura
metro
centimetro
millimetro
micrometro
pollice (inch)
miglio marino
Simbolo
m
cm
mm
µm
in
mile
Lunghezza – Unità nel sistema SI: metro (m)
m
cm
mm
µm
1
100
1 000
1 000 000
0,01
1
10
10 000
0,001
0,1
1
1.000
0,000001
0,0001
0,001
1
0,0254
2,54
25,4
25 400
1 852
185 200
1 852 000 1 852 000 000
in
39,37
0,3937
0,03937
0,0000393
17
72 913
Area– Unità nel sistema SI: metro quadrato (m2)
Unità di misura
Simbolo
m2
cm2
mm2
2
metro quadrato
m
1
10 000
1 000 000
centimetro quadrato
cm2
0,0001
1
100
2
millimetro quadrato
mm
0,000001
0,01
1
2
pollice quadrato (square inch)
in
0,00064516
6,4516
645,16
Unità di misura
metro cubo
centimetro cubo
millimetro cubo
litro(decimetro cubo)
Unità di misura
chilogrammo
grammo
tonnellata
libbra (pound)
mile
0,00054
0,0000054
0,00000054
0,00000000054
0,000013715
1
in2
1 550
0,1550
0,00155
1
Volume – Unità nel sistema SI: metro cubo (m3)
Simbolo
m3
cm3
mm3
m3
1
1 000 000
1 000 000 000
3
cm
0,000001
1
1 000
mm3
0,000000001
0,001
1
3
l (dm )
0,001
1 000
1 000 000
Massa – Unità nel sistema SI: chilogrammo (kg)
Simbolo
kg
g
t
kg
1
1 000
0,001
g
0,001
1
0,000001
t
1 000
1 000 000
1
lb
0,45359237
453,6
0,0004536
l (dm3)
1 000
0,001
0,000001
1
lb
2,20462
0,00220462
2 204,62
1
Tempo – Unità nel sistema SI: secondo (s)
Unità di misura
Simbolo
s
min
h
secondo
s
1
0,00027778
minuti
min
60
1
0,01666667
ora
h
3 600
60
1
Temperatura – Unità nel sistema SI: kelvin(K)
Unità di misura
Simbolo
K
kelvin
K
1
gradocentigrado (Celsius)
°C
°C = K – 273,15
°C
K = °C + 273,15
1
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.3
Angolo piano – Unità nel sistema SI: radiante (rad)
Unità di misura
Simbolo
rad
°
radiante
rad
1
57,296
grado sessagesimale
°
0,0174533
1
MANUALE di Macchine
Velocità – Unità nel sistema SI: metro al secondo (m/s)
Unità di misura
Simbolo
m/s
km/h
metro al secondo
m/s
1
3,6
chilometro all’ora
km/h
0,2778
1
nodo (miglio all’ora)
knot (miglio/h)
0,5144
1,852
knot
1,944
0,54
1
Accelerazione – Unità nel sistema SI: metro al secondo quadrato (m/s2)
Unità di misura
Simbolo
m/s2
accelerazione gravitazionale
g
9,81
Forza – Unità nel sistema SI: newton (N)
Unità di misura
Simbolo
N
kp
newton
N
1
0,10194
chilogrammo - peso
kp
9,81
1
Portata volumica – Unità nel sistema SI: metro cubo al secondo (m3/s)
Unità di misura
Simbolo
m3/s
m3/h
l/s
metro cubo al secondo
m3/s
1
3 600
1 000
metro cubo all’ora
m3/h
0,0002778
1
0,2778
litro al secondo
l/s
1 000
3,6
1
litro al minuto
l/min
0,000016667
0,06
0,016667
Pressione – Unità nel sistema SI: pascal (Pa)
Simbolo
Pa (N/m2)
bar
2
pascal
Pa (N/m )
1
0,00001
bar
bar
100 000
1
metro di colonna d’acqua
mH2O
9 803, 9
0,098039
libbra su pollice quadrato (pound square inch)
psi
6 894,76
0,06894
Unità di misura
Unità di misura
joule
chilocaloria
chilowattora
British Thermal Unit
l/min
60 000
16,667
60
1
mH2O
0,000102
10,2
1
0,70325
Energia e lavoro – Unità nel sistema SI: joule (J)
Simbolo
J (Nm)
kcal
kWh
J (Nm)
1
0,0002388
0,0000002778
kcal
4 186,8
1
0,001163
kWh
3 600 000
859,845
1
Btu
1 055,06
0,251997
0,0002931
Potenza – Unità nel sistema SI: watt (W)
Unità di misura
Simbolo
W (J/s)
kcal/h
watt
W (J/s)
1
0,85985
chilocaloria su ora
kcal/h
1,163
1
cavallo vapore (horse power metrico)
CV (HP)
735,5
632,42
brake horse power(horse power inglese)
BHP
745,7
641,19
CV (HP)
0,00136
0,00158
1
1,01387
psi
0,000145
14,504
1,42196
1
Btu
0,0009478
3,9683
3 412,13
1
BHP
0,00134
0,00156
0,98632
1
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.4
I fattori di conversione approssimati sono riportati in carattere corsivo
ELEMENTI DI MECCANICA APPLICATA
Questo moto è detto circolare perché la sua traiettoria è una
circonferenza, uniforme perché avviene con velocità angolare ω
RICHIAMI DI CINEMATICA
[rad/s] costante.
Definizioni
Essendo v [m/s] costante in modulo, l’arco di circonferenza
Si definisce velocità (speed)v [m/s] del punto, il rapporto fra lo
percorso s [m] cresce linearmente col tempo. Valgono le
spazio ∆s [m] percorso dal punto e l’intervallo di tempo ∆t [s]
seguenti relazioni:
impiegato a percorrerlo:
v=
v=
∆s
∆t
s
t
s = v·tt =
s
v
Oltre alla velocità lineare v [m/s], è utile introdurre la velocità
Si definisce accelerazione (acceleration)a [m/s2] del punto, il
angolare ω [rad/s], rapporto tra l’angolo ϕ [rad] spazzato dal
rapporto fra la variazione di velocità ∆v [m/s] del punto e
raggio vettore r [m] e il tempo t [s]:
φ
ω = = costante
t
l’intervallo di tempo ∆t [s] durante il quale avviene la variazione
stessa:
a=
∆v
∆t
retta, uniforme perché avviene a velocità costante. Lo spazio
percorso s [m] è direttamente proporzionale al tempo t [s] e le
relazioni tra velocità v [m/s], spazio s [m] e tempo t [s] sono:
s
s
v=
s = v·tt =
t
v
Moto rettilineo uniformemente vario(uniformly variable motion)
φ
ω
Il legame tra velocità lineare v [m/s] e velocità angolare ω [rad/s]
è:
Moto rettilineo uniforme(uniformly rectilinear motion)
Questo moto è detto rettilineo perché la traiettoria è una linea
φ = ω·tt =
v = ω·r
Il legame tra velocità angolare ω [rad/s] e numero di giri n [rpm]
è:
ω=
2·π·n
60
0,1·n
n=
60·ω
2·π
10·ω
L’accelerazione centripeta acp [m/s2] (e quindi l’accelerazione
centrifuga acf) vale:
acp (acf ) = ω2 ·r =
Questo moto è detto rettilineo perché la traiettoria è una linea
v2
r
retta, uniformemente vario perché la velocità varia con il tempo in
modo uniforme. Contando i tempi dall’inizio del moto (t = 0) e
detti v0 [m/s] la velocità iniziale e a [m/s2] il modulo
dell’accelerazione costante, velocità v [m/s] e spazio percorso s
[m] variano col tempo t [s] secondo le relazioni:
1
v = v0 ± a·t s = v0 ·t ± ·a·t2
2
in cui vale il segno “+“ se il moto è uniformemente accelerato,
mentre vale il segno “-“ se il moto è uniformemente rallentato o
Moto circolare uniformemente vario(uniformly variable circular
motion)
Avviene su traiettoria circolare con velocità angolare ω [rad/s]
variabile con il tempo in modo uniforme. Si definisce
accelerazione angolare ε [rad/s2] del punto, il rapporto fra la
variazione di velocità angolare ∆ω [rad/s] del punto e l’intervallo
di tempo ∆t [s] durante il quale avviene la variazione stessa:
ε=
∆ω
∆t
decelerato. Lo spazio s [m] percorso in un certo tempo t [s] si
può anche calcolare come prodotto della velocità media vm [m/s]
velocità angolare iniziale e ε [rad/s2] il modulo dell’accelerazione
per questo tempo:
s =vm ·t =
Contando i tempi dall’inizio del moto (t = 0) e detti ω0 [rad/s] la
1
· v +v ·tv2 = v20 ±2·a·s
2 0
angolare costante, velocità ω [rad/s] e angolo ϕ [rad] variano col
tempo t [s] secondo le relazioni:
ω = ω0 ± ε·tφ = ω0 ·t ±
Moto circolare uniforme(uniformly circular motion)
1 2
·ε·t
2
in cui vale il segno “+“ se il moto è uniformemente accelerato,
mentre vale il segno “-“ se il moto è uniformemente rallentato o
decelerato. L’angolo ϕ [rad] spazzato dal raggio vettore r [m] in
MANUALE di Macchine
un certo tempo t [s] si può anche calcolare come prodotto della
Il peso (weight forces)Fpeso [N] di un corpo può essere espresso
velocità angolare media ωm [rad/s] per questo tempo:
come prodotto della massa m [kg] per l’accelerazione di gravità g
φ = ωm ·t =
1
· ω + ω ·tω2 = ω20 ± 2·ε·s
2 0
(con g = 9,81 m/s2):
Fpeso = m·g
Moto armonico
Si consideri un punto P che si muove di moto uniforme, con
La forza centripeta (centripetal force)Fcp [N] (e centrifuga Fcf) cui è
velocità angolare ω [rad/s] costante, su una circonferenza.
sottoposto un corpo può essere espressa come prodotto della
Mentre il punto P si muove di moto uniforme percorrendo un giro
massa m [kg] per l’accelerazione centripeta acp[m/s2] (e
di circonferenza, il punto K, ottenuto come proiezione di P sul
centrifuga acf):
diametro AB, si muove sul diametro da A verso B e viceversa. Il
Fcp (Fcf ) = m·
moto del punto K sul diametro AB si definisce moto armonico. Il
v2
= m·ω2 ·r
r
tempo impiegato dal punto K per andare da A in B e tornare in A
La forza di pressione (pressureforces)Fp [N] esercitata da un fluido
percorrendo il diametro AB, ossia per compiere un’oscillazione
su una superficie S [m2] può essere espressa come prodotto
completa, si definisce periodo T [s]; esso vale:
della pressione p [Pa] per la superficie stessa:
T=
2·π
ω
Fp = p·S
La forza di attrito radente (sliding friction forces)FR [N] può essere
Si definisce frequenza f [Hz] il numero di oscillazioni effettuate
nell’unità di tempo T [s]; esso vale:
1 ω
f= =
T 2·π
espressa come prodotto del coefficiente di attrito radente fR per
la forza normale di contatto N [N]:
FR = fR ·N
La forza di attrito volvente (rolling friction forces)FV [N] può essere
RICHIAMI DI STATICA
espressa come prodotto del coefficiente di attrito volvente fV per
Definizioni
Il momento di una forza (torque)rispetto ad un punto P è un vettore
la forza normale di contatto N [N]:
FV = fV ·N
che ha per modulo M [Nm] il prodotto del modulo F [N] della
forza per la distanza b [m] (braccio) tra la retta d’azione della
forza ed il polo P:
M= F·b
Materiali a contatto
pneumatico su asfalto
acciaio su acciaio
fR
0,6 ÷ 0,8
0,4 ÷ 0,7
fV
0,015 ÷ 0,02
0,001 ÷ 0,003
La resistenza del mezzo (fluid friction)FM [N] che incontra un corpo,
Si definisce coppia di forze l’insieme formato da due forze F [N]
di sezione maestra A [m2] (massima sezione perpendicolare alla
di ugual modulo, verso contrario e rette d’azione parallele e
direzione del moto), in movimento con velocità v [m/s], immerso
distanti b [m] tra loro. Il modulo M [Nm] del momento creato dalla
in un mezzo di massa volumica ρ [kg/m3], è data dalla relazione:
coppia di forze (moment of a couple)vale:
FM =
1
·C ·ρ·A·v2 =k·v2
2 x
M= F·b
in cui Cx rappresenta il coefficiente di resistenza aerodinamica,
adimensionale, che si ricava sperimentalmente e tiene conto
della forma del corpo.
RICHIAMI DI DINAMICA
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Tipo di profilo
sfera
Cr
0,18
Pag.6
Principali tipi di forze
MANUALE di Macchine
fusoliera d’aereo
autoveicolo
barca a remi
nave veloce
locomotiva carenata
0,12
0,2 ÷ 0,3
0,4
0,08
0,28 ÷ 0,35
cilindro pieno (di diametro D [m])
I=
cilindro cavo (di diametro esterno
De[m] e diametro interno Di[m])
I=
1
·m·D2
8
1
·m·(De 2 +D2i )
8
Lavoro meccanico(mechanical work)
Potenza(power)
In un moto traslatorio, si dice che viene compiuto un lavoro
La potenza P [W] è definita come il rapporto tra una certa
meccanico L [J] quando una forza F [N] sposta il suo punto di
quantità di energia [J] (o di lavoro L) che si trasmette da un
applicazione di un tratto s [m] e si scrive:
sistema a un altro e il tempo t [s] richiesto:
P=
L = F⋅s
In un moto rotatorio, il lavoro meccanico L [J] può essere
L
t
Nel moto traslatorio, vale:
espresso come prodotto del momento M [Nm] per l’angolo ϕ
P = F⋅v
[rad]:
oveF [N] rappresenta la forza cui è sottoposto il corpo e v [m/s] la
L = M⋅ϕ
velocità; mentre nel moto rotatorio:
Energia meccanica e sue forme
P = M⋅ω
Il lavoro che un corpo ha la capacità di compiere a causa della
sua posizione (altezza h) si definisce energia potenziale o
energia gravitazionale o energia di quota Eg [J] e si esprime con
oveM [Nm] rappresenta la coppia cui è sottoposto il corpo e ω
[rad/s] la velocità angolare.Esiste una relazione (utilizzata
frequentemente nella pratica) che lega la coppia M [Nm],
la relazione:
prodotta sull’asse di una macchina, e la potenza P [kW], erogata
Eg = m·g·h
dalla macchina stessa, a un determinato regime di rotazione n
in cui m [kg] rappresenta la massa del corpo, g [m/s2]
l’accelerazione di gravità e h [m] l’altezza. Si definisce energia
[rpm] e viceversa:
M 9550·
cinetica o energia di velocità Ec [J] il lavoro che un corpo è in
grado di compiere a causa della velocità posseduta. Nel moto
P
n
e
P
M·n
9550
MECCANICA DEI FLUIDI
traslatorio, vale:
EC =
Portata volumica(volume flow rate)
1
·m·v2
2
La portata volumica Gv [m3/s] è il volume V [m3] di fluido che
in cui m [kg] rappresenta la massa del corpo e v [m/s] la velocità;
attraversa nel tempo t [s] una generica sezione S, essa può
mentre nel moto rotatorio:
essere espressa come prodotto della sezione S [m2] per la
EC =
velocità w [m/s] del fluido:
1 2
·I·ω
2
Gv =
in cui I [kgm2] rappresenta il momento di inerzia di massa del
V
=S·w
t
corpo e ω [rad/s] la velocità angolare. Riportiamo l’espressione
del momento di inerzia di massa I [kgm2] di alcuni solidi:
Portata massica(mass flow rate)
per conduttori e costruttori del mezzo navale
I (kgm2)
Pag.7
Solido
MANUALE di Macchine
La portata massica Gm [kg/s] è la massa m [kg] di fluido che
se poi la massa volumica ρ [kg/m3] si può ritenere costante,
attraversa nel tempo t [s] una generica sezione S, essa può
come nel caso dei liquidi, per la legge di continuità si ha anche la
essere espressa come prodotto della portata volumica Gv [m3/s]
conservazione della portata volumica:
per la massa volumica ρ [kg/m3] del fluido:
m
Gm = = ρ·Gv
t
Energiameccanica di una vena fluida(mechanical energy of a fluid
Leggi della meccanica dei fluidi
flow)
La legge di Stevino (Stevin’s law)afferma che un fluido di peso
L’unità di peso (1 N) di un fluido può possedere energia
volumico γ [N/m3] crea alla profondità H [m] una pressione p [Pa],
meccanica (J) nelle tre forme:
detta pressione idrostatica:
• energia di pressione o carico piezometrico: p/γ
S1⋅w1 = S2⋅w2
• energia cinetica o carico cinetico: w2/(2⋅g)
p = γ⋅H = ρ⋅g⋅H
• energia gravitazionale o carico geodetico: z
in cui l’accelerazione di gravità g vale 9,81
Si definisce
quindi le tre forme energetiche sopra scritte sono espresse in
spinta idrostatica FS [N] agente sul fondo di un recipiente
J/N, e poiché 1 J/N = 1 m tali forme energetiche unitarie risultano
contenente un fluido di peso volumicoγ
dunque espresse in m.
[N/m3]
m/s2.
la forza esercitata
dalla pressione p [Pa] sulla superficie Af[m2] del fondo del
Teorema di Bernoulli generalizzato(extended Bernoulli equation)
recipiente stesso:
Se il fluido, mentre fluisce tra le sezioni 1 e 2, riceve dall’esterno
FS = p⋅Af
mentre la spinta idrostatica agente sulla superficie laterale Al [m2]
del recipiente vale:
FS = pm ·Al =
γ·H
·A
2 l
l’energia entrante EE e cede all’esterno l’energia uscente EU, si
ha la seguente generalizzazione del teorema di Bernoulli:
p
p1 w21
w22
+
+ z1 + EE = 2 +
+ z +E
γ1 2·g
γ2 2·g 2 U
Perdite di carico totali
in cui pm [Pa] rappresenta la pressione idrostatica media. Il
Indicate di solito con ∆h [m], sono le perdite di energia che il
principio di Archimede (principle of Archimedes)afferma che un corpo
fluido subisce lungo la linea a causa di moti vorticosi e attriti, sia
immerse in un fluido di peso volumico γ [N/m3] riceve una spinta
interni sia sulla superficie di contatto con la tubazione. Si
FA [N] verso l’alto di intensità pari al peso del volume V [m3] di
riportano i valori orientativi delle perdite di carico per alcuni
fluido spostato:
circuiti comuni negli impianti di propulsione navale:
FA = γ⋅V
Legge di continuità(continuityequation)
La legge di continuità afferma che, lungo una tubazione senza
Tipo di circuito
acqua di mare per condensatori di turbine a vapore
acqua dolce per il raffreddamento dell’olio lubrificante
acqua dolce per il raffreddamento dei motori principali
olio di lubrificazione dei motori principali di propulsione
∆h(m)
5 ÷ 10
10 ÷ 30
30 ÷ 50
50 ÷ 80
diramazioni, la portata massica Gm1 [kg/s] entrante in una
qualunque sezione 1 è uguale a quella uscente Gm2 [kg/s] da una
Prevalenza di una macchina operatrice sui fluidi
Prende il nome di prevalenza(head), indicata di solito con la lettera
qualunque altra sezione 2:
h ed espressa in m, l’energia che la macchina cede all’unità di
Gm1 = Gm2
peso (1 N) di fluido.
cioè:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.8
ρ1⋅S1⋅w1 = ρ2⋅S2⋅w2
MANUALE di Macchine
MACCHINE OPERATRICI A FLUIDO
Classificazione
A seconda di come l’organo mobile aumenta l’energia del fluido,
Prevalenza di una pompa
Consideriamo il circuito aperto 1 – 2 (vedi figura), al cui inizio sia
le macchine operatrici su fluidi si dividono in:
installata una pompa
• MACCHINE CINETICHE: cedono al fluido soprattutto energia
incaricata di cedere
cinetica, cioè ne aumentano la velocità. In base al moto del
al liquido l’energia
fluido all’interno della macchina, si dividono a loro volta in:
necessaria affinché
− MACCHINE ASSIALI, nelle quali il fluido si muove
questo percorra la
parallelamente all’asse della macchina e riceve energia
linea
da una girante simile all’elica di una nave;
− MACCHINE
RADIALI
(dette
parametri
comunemente
CENTRIFUGHE), in cui il fluido entra assialmente
rispetto a una girante palettata che lo lancia verso la
periferia, dove un condotto a chiocciola lo raccoglie, lo
secondo
i
stabiliti.
Indicando con h [m] la prevalenza della pompa e con ∆h [m] le
perdite di carico totali che il liquido incontra lungo il percorso, dal
teorema di Bernoulli generalizzato risulta:
rallenta facendone aumentare la pressione e lo invia alla
h = z2 - z1 +
mandata;
p2 - p1 w22 - w21
+
+∆h
γ
2·g
• MACCHINE VOLUMETRICHE, che racchiudono il fluido in
in cui z2 [m], p2 [Pa] e w2 [m/s] rappresentano rispettivamente la
vani compresi tra parte mobile e fissa e lo forzano verso la
quota, la pressione e la velocità del fluido nella sezione di uscita;
mandata. In base al moto dell’organo mobile che cede
mentre z1 [m], p1 [Pa] e w1 [m/s] rappresentano rispettivamente la
energia al fluido, si dividono in:
quota, la pressione e la velocità del fluido nella sezione di
− MACCHINE ROTATIVE, nelle quali l’organo mobile si
ingresso, γ [N/m3] rappresenta il peso volumico ed g [m/s2]
muove di moto rotativo;
− MACCHINE ALTERNATIVE, nelle quali l’organo mobile è
un pistone che si muove di moto rettilineo alternato.
l’accelerazione di gravità. La prevalenza che la pompa cede al
liquido serve dunque affinché questo acquisti energia di
pressione (prevalenza manometrica), energia di velocità
Ricordiamo ancora che le macchine operatrici su fluidi vengono
(prevalenza cinetica), energia di quota (prevalenza geodetica) ed
denominate:
energia per fargli vincere le perdite di carico lungo il circuito. Se
• POMPE (pumps)se operano su liquidi, a prescindere dal
invece sono note la pressione sull’aspirazione p1 [Pa] e quella di
valore della prevalenza ceduta;
• VENTILATORI (fans)se operano su degli aeriformi, in cui si
mandata pm [Pa], la prevalenza h [m] si calcola in modo rapido
con la seguente formula:
riscontra un aumento di pressione a questi conferito basso;
h=
pm -p1
γ
• SOFFIANTI (blowers)se operano su degli aeriformi, in cui si
Osserviamo infine che in un circuito chiuso la prevalenza serve
• COMPRESSORI (compressors)se operano su degli aeriformi, in
solo per vincere le perdite di carico:
cui si riscontra un aumento di pressione a questi conferito
h = ∆h
alto.
Il motore primo di comando della pompa può essere alternativo a
combustione interna a benzina o diesel (motopompa, M/P) o
elettrico (elettropompa, E/P).
Potenze e rendimenti di una pompa
La potenza idraulica Pi, [kW], è pari al prodotto del peso volumico
γ [N/m3] per la portata volumica Gv [m3/s] per la prevalenza h [m];
essa rappresenta la potenza trasmessa dall’organo mobile al
liquido e vale:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.9
riscontra un aumento di pressione a questi conferito medio;
MANUALE di Macchine
Pi =
γ·Gv ·h
1000
per la circolazione di acqua dolce ed acqua di mare, per i
servizi di incendio e di zavorra, per l’imbarco e lo sbarco di
molto pratica risulta invece la seguente formula:
Pi
carichi liquidi ecc.
Gv ·(pm -p1 )
612
Pompe volumetriche rotative(rotary pumps)
• POMPE A PALETTE (vane rotary pumps)(vedi figura) impiegate
in cui la portata Gv è espressa in [l/min] ed il salto di pressione
per movimentare liquidi viscosi o
(pm – p1), fra le sezioni di uscita e di ingresso della pompa, in bar.
chimicamente
La potenza meccanica che la pompa deve assorbire Pm [kW] dal
portate e prevalenze modeste,
motore primo (elettrico o termico) è maggiore di quella idraulica,
queste
perché
disperde
rendimento che vale 0,65 ÷ 0,75.
nell’attraversare la pompa per le perdite dovute al rendimento
• POMPE A INGRANAGGI (gear pumps)(vedi figura) possono
parte
della
potenza
meccanica
si
globale ηP della pompa; quindi:
aggressivi
pompe
hanno
con
un
pompare liquidi con viscosità fino a
Pm =
Pi
ηP
circa 1 000 cSt e pressioni di
mandata fino a qualche decina di bar.
Il rendimento globale ηP di un pompa mediamente vale 0,65 ÷
In campo navale trovano impiego per
0,90. La potenza assorbita Pa [kW] dal motore primo è maggiore
le operazioni di travaso e circolazione
di quella meccanica, perché parte della potenza assorbita si
di olii lubrificanti e nafte leggere e pesanti, nelle timonerie
disperde per le perdite dovute al rendimento ηM del motore
elettroidrauliche ecc.
primo:
La portata volumetrica Gv [m3/s] è pari al prodotto della
Pa =
Pm
ηM
cilindrata V [m3], corretto dal rendimento volumetrico ηv (0,92
÷ 0,98), per la velocità di rotazione n [rpm]:
Pompe cinetiche(kineticpumps)
Gv =ηv
• POMPE ASSIALI(axial flow pumps): dette anche pompe a elica
V·n
60
(vedi figura) possono smaltire
mentre la cilindrata V [m3] è proporzionale al numero di denti
portate elevate (fino a 100 000
zd dell’ingranaggio, al modulo m della dentatura [m], al
m3/h)
diametro primitivo d della dentatura [m] e alla larghezza b del
con
buoni rendimenti
(0,80) ma prevalenze modeste
dentatura [m]:
(massimo 20 ÷ 25 m). In campo
navale trovano impiego per lo svuotamento dei bacini di
carenaggio, la propulsione con idrogetti e il bilanciamento
trasversale di navi traghetto adibite al trasporto di carri
ferroviari.
V = zd ·m·d·b
Questa formula vale per un ingranaggio esterno a denti diritti
con profili ad evolvente.
• POMPE A VITI (screwpumps)(vedi figura) possono pompare
liquidi
• POMPE CENTRIFUGHE(centrifugalpumps): dette anche pompe
radiali (vedi figura) possono
smaltire portate molto elevate
(oltre 150 000 m3/h) con
buoni rendimenti (0,70 ÷
che
vanno
dai
prodotti
petrolchimici leggeri ai lubrificanti e
alle nafte pesanti. Le pressioni di
mandata arrivano a 350 bar, queste
pompe hanno un rendimento che si
aggira intorno al 0,70 ÷ 0,80.
0,90) e prevalenze non molto
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.10
alte (fino a circa 100 m). In campo navale trovano impiego
MANUALE di Macchine
Pompe volumetriche alternative(pistonpumps)
Potenze e rendimenti di un compressore
Queste pompe (vedi figura) sono dette a semplice effetto quando
Nell’ipotesi di compressione adiabatica reversibile (isoentropica),
realizzano una mandata
il lavoro massico teorico lct [J/kg] di compressione vale:
ogni due corse del pistone,
lct =
a doppio effetto se a ogni
k-1
k
R T1 (1 - β k )
k-1
corsa il pistone aspira il
in cui R [J/kgK] indica la costante del gas perfetto, T1 [K] la
liquido da un lato e lo
temperatura di aspirazione del fluido, k = cp/cv e β il rapporto di
comprime dall’altro. Le pompe alternative forniscono prevalenze
compressione. Pertanto il lavoro che gli organi mobili della
altissime ma la portata volumetrica non può superare certi valori
macchina compiono sul fluido cioè Il lavoro massico reale lc
(circa 200 m3/h) per le eccessive sollecitazioni meccaniche
[J/kg] di compressione vale:
causate dalle forze d’inerzia. In campo navale trovano impiego
lc =
come pompe di iniezione del combustibile nei motori diesel,
lct
ηi
come pompe di sentina, pompe stripping e pompe incendio di
in cui ηi rappresenta il rendimento interno del compressore (0,70
emergenza. Il rendimento varia dal 0,65 per piccole pompe a
÷ 0,85). Quindi la potenza reale di compressione Pc [W], cioè la
valori medi del 0,80, con punte del 0,90 per pompe di ottima
potenza realmente trasmessa dagli organi mobili della macchina
fattura. La portata volumetrica Gv [m3/s] è pari al prodotto del
al fluido, vale:
volume V
[m3]
spazzato dallo stantuffo (cilindrata) durante la
Pc = Gm⋅lc
corsa, corretto dal rendimento volumetrico ηv (0,95 ÷ 0,99), per
la velocità di rotazione n [rpm] e per il numero degli effetti i:
Gv =ηv
V·n·i
60
in cui Gm [kg/s] rappresenta la portata massica di fluido in
mandata. Ma la potenza meccanica che il compressore deve
assorbire Pm [W] dal motore primo (elettrico o termico) è
mentre la cilindrata V [m3] è proporzionale al quadrato
maggiore di quella reale di compressione, perché parte della
dell’alesaggio D del cilindro [m], alla corsa C dello stantuffo [m]
potenza meccanica si disperde lungo l’asse (giunto), per le
ed al numero dei cilindrici zc:
perdite dovute agli attriti meccanici e di quelle necessarie al
V = zc
π·D2
C
4
comando degli accessori, cioè occorre tener conto del
rendimento organico ηo del compressore (0,95 ÷ 0,99); quindi:
Rapporto di compressione
Il rapporto di compressione β il rapporto tra la pressione p2 a
valle della macchina (o pressione di mandata) e la pressione p1 a
monte della macchina (o pressione di aspirazione):
p
β= 2
p1
Pm = Pc / ηo = Gm⋅lct / ηC
in cui ηC rappresenta il rendimento globale del compressore
(0,60 ÷ 0,90). La potenza assorbita Pa [W] dal motore primo è
maggiore di quella meccanica, perché parte della potenza
assorbita si disperde per le perdite dovute al rendimento ηM del
motore primo:
Il compressore monostadio non può superare un rapporto di
compressione 12 ÷ 15. Per rapporti di compressione 10 ÷ 30 si
deve ricorrere al compressore bistadio, oltre 30 si deve infine
Pa =
Pm
ηM
Prevalenze, potenze e rendimenti di un ventilatore
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.11
passare al compressore multistadio.
MANUALE di Macchine
La prevalenza totale del ventilatore h [Pa] è definita come la
Pa =
somma della prevalenza statica hs [Pa] e della prevalenza
Pm
ηME
dinamica hd [Pa]:
h = hs + hd
Macchine cinetiche assiali pneumofore(axial flow dinamicmachines)
La prevalenza statica hs [Pa] rappresenta la pressione che serve
• VENTILATORE ASSIALE (o a ELICA). E’ una macchina
per vincere le perdite di carico della condotta a valle del
monostadio (vedi figura). Macchine di
ventilatore e vale:
questo tipo su piccola scala sono i
hs = p2
comuni ventilatori domestici e quelli
in cui p2 [Pa] rappresenta la pressione manometrica in uscita dal
dei condizionatori, le ventole di
ventilatore. La prevalenza dinamica hd [Pa] rappresenta la
raffreddamento ad aria dell’acqua
pressione necessaria per conferire al fluido la velocità w2 [m/s] in
negli autoveicoli, sono anche usati nei sistemi di tiraggio
uscita dal ventilatore e vale:
delle caldaie, ecc. La portata può arrivare a 300 000 m3/h,
hd =
w22
2
con diametri del rotore fino a 3 m, velocità fino a 6 000 rpm,
prevalente ottimali di impiego dai 15 mm ai 50 mm. Il
in cui ρ [kg/m3] rappresenta la massa volumica del fluido e viene
rendimento è 0,45 ÷ 0,65 nelle macchine più piccole e
assunto pari a (1,15 ÷ 1,21) kg/m3. Conoscendo il valore della
supera 0,85 in quelle più grandi.
prevalenza dinamica si può ricavare la velocità del fluido in uscita
• COMPRESSORE ASSIALE. E’ una macchina multistadio
(vedi figura). Macchine di questo
dal ventilatore w2 [m/s], cioè:
tipo trovano impiego in turbine a
2·hd
w2 =
ρ
gas e impianti di liquefazione
gas naturale (per navi LNG).
La portata volumica Gv [m3/s] è pari al prodotto della sezione del
condotto A
[m2]
per la velocità uscente w2 [m/s] uscente dal
ventilazione:
Proprietà
caratteristiche
dei
compressori assiali sono le seguenti: portate elevatissime,
con punte a 1 250 000 m3/h; velocità di rotazione (2 000 ÷ 12
Gv = A⋅w2
000) rpm; rapporto di compressione per stadio 1,1 ÷ 1,25;
rapporto di compressione complessivo 15 ÷ 25, con punte
mentre la sezione del condotto A [m2] è:
π·d2
A=
4
fino a 40; ingombri fino a 4 volte inferiori a quelli di un
equivalente compressore centrifugo; pesi da 2 a 3 volte
inferiori a quelli di un equivalente compressore centrifugo; il
in cui d [m] rappresenta il diametro interno del condotto. La
potenza meccanica Pm [kW] che il ventilatore deve assorbire dal
motore primo (generalmente elettrico) vale:
rendimento complessivo si aggira intorno a 0,85 ÷ 0,90.
Macchine
cinetiche
radiali
o
centrifughe
pneumofore(centrifugalmachines)
Gv ·h
Pm =
1000·ηV
Le macchine monostadio, possono operare anche con velocità di
in cui ηV rappresenta il rendimento globale del ventilatore, che
prevalenze fino a 3 000 mm e hanno un rendimento che vale
può raggiungere al massimo circa 0,80. La potenza assorbita Pa
0,45 ÷ 0,65 per le macchine più piccole e 0,75 ÷ 0,85 per quelle
[kW] dal motore elettrico è maggiore di quella meccanica, perché
di maggiori dimensioni. Dato l’elevato rapporto di compressione
parte della potenza assorbita si disperde per le perdite dovute al
di una macchina anche monostadio, la differenza tra ventilatore
Pag.12
rendimento ηME del motore elettrico:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
rotazione molto basse (inferiori a 200 rpm), sviluppano
MANUALE di Macchine
(vedi figura) e soffiante (o persino compressore) è poco
quelle bistadio interrefrigerati, con velocità di rotazione (2
significativa. Le macchine monostadio trovano applicazioni per il
000 ÷ 25 000) rpm e il rendimento si aggira intorno a 0,77.
tiraggio delle caldaie, per la movimentazione dell’aria negli
Macchine
impianti di condizionamento e ventilazione, nelle soffianti (o
(volumetricreciprocatingmachines)
compressori)
degli
impianti
di
volumetriche
alternative
pneumofore
Un compressore alternativo (vedi figura) può essere comandato
sovralimentazione dei motori, ecc.
da
Proprietà
dei
(elettrocompressore, E/C) oppure
compressori centrifughi (vedi figura)
da un motore alternativo a
sono le seguenti: portate medie e alte, con punte a 500 000 m3/h;
combustione interna a benzina o
numero di stadi fino a 20; velocità (8 000 ÷ 15 000) rpm per
diesel (motocompressore, M/C). Il
piccole portate e (200 ÷ 4 000) rpm per alte portate; rapporto di
compressore monostadio non può superare un rapporto di
compressione 1,3 ÷ 3,0 per stadio, superiore a 30 se
compressione 12 ÷ 15, per rapporti di compressione 10 ÷ 30 si
complessivo; pressioni di mandata fino a 800 bar (con
deve ricorrere al compressore bistadio, oltre 30 si deve infine
aspirazione a 300 bar); il rendimento complessivo si aggira
passare al compressore multistadio. A bordo delle navi si
intorno a 0,80. I compressori centrifughi trovano impiego come
impiegano compressori bistadio con pressione di mandata di 30
turbocompressori d’aria, compressione di fluidi frigorigeni, ecc.
bar per la produzione di aria di avviamento dei motori diesel e,
Macchine volumetriche rotative pneumofore(rotary machines)
previa riduzione a 7 bar, per il comando di attuatori ad aria
Consentono portate (200 ÷ 30 000) m3/h e pressioni di mandata
compressa
fino a 25 bar.
pneumatica. Le portate si aggirano intorno a (2 000 ÷ 50 000)
• COMPRESSORI A LOBI(lobecompressors)(vedi figura). Classici
m3/h. Le pressioni di mandata sono teoricamente illimitate, le
compressori
Root,
e
l’alimentazione
motore
di circuiti di
elettrico
regolazione
impiegati
come
velocità di rotazione arrivano a 15 000 rpm e il rendimento
impianti
di
complessivo varia da 0,6 per piccole unità fino a 0,8 per quelle
sovralimentazione dei motori a due tempi
più grandi. La portata volumica Gv1 [m3/s] in aspirazione è pari al
a lavaggio trasversale. I compressori a
prodotto del volume V [m3] spazzato dallo stantuffo (cilindrata)
lobi hanno rapporto di compressione
durante la corsa, corretto dal rendimento volumetrico ηv (0,70 ÷
modesto, non superiore a 2.
0,86), per la velocità di rotazione n [rpm] e per il numero degli
A PALETTE(rotary vanecompressors)(vedi
effetti i:
soffianti
negli
figura). Il rapporto di compressione può
Gv1 =ηv
andare da 2,5 per macchine monostadio
V·n·i
60
fino a 6,0 per macchine bistadio, le portate
mentre la cilindrata V [m3] è proporzionale al quadrato
arrivano fino a 30 000 m3/h e il rendimento
dell’alesaggio D del cilindro [m], alla corsa C dello stantuffo [m]
varia tra 0,4 ÷ 0,7.
ed al numero dei cilindrici zc:
• COMPRESSORI A VITI(screwcompressors)(vedi figura). A bordo
V = zc
delle navi sono impiegati negli
π·D2
C
4
impianti frigoriferi con potenza
Infine la portata massica Gm [kg/s] di fluido in mandata del
frigorifera (500 ÷ 5 000) kW. Le
compressore vale:
portate possono arrivare a 60
000
m3/h,
le
Gm = ρ1⋅Gv1
pressioni di
mandata a 25 bar per macchine monostadio e a 40 bar per
in cui ρ1 [kg/m3] rappresenta la massa volumica del fluido in
aspirazione.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.13
• COMPRESSORI
caratteristiche
un
MANUALE di Macchine
Eiettori (ejectors)
L’eiettore è una pompa statica che, grazie all’energia di un fluido
motore ad alta pressione, richiama un fluido aspirato originando
LUBRIFICANTI E LUBRIFICAZIONE
una miscela che poi comprime fino alla contropressione di
Tipi di lubrificazione
scarico (vedi figura). Il fluido motore (m), in arrivo da un tubo (1)
Il lubrificante è chiamato a svolgere le seguenti tre azioni distinte:
• AZIONE MECCANICA: interponendosi fra gli organi in moto,
il lubrificante deve ridurre gli attriti meccanici, di conseguenza
sia le potenze meccaniche perdute, sia l’usura dei materiali,
sia infine il calore prodotto;
• AZIONE REFRIGERANTE: anche se ridotti, gli attriti
che termina con un ugello convergente, subisce un calo di
generano pur sempre calore che il lubrificante deve
pressione e richiama attraverso il tubo (2) il fluido aspirato (a). Il
asportare;
fluido motore trascina così il fluido aspirato in un primo tratto (3)
• AZIONE CHIMICOFISICA: il lubrificante deve infine
a sezione costante detto camera di mescolamento, quindi la
prevenire la formazione di varie sostanze nocive,
miscela (m + a) trasforma in un diffusore a sezione divergente (4)
neutralizzarle o asportarle.
la propria energia cinetica in energia di pressione tanto da
La lubrificazione può essere:
vincere la contropressione di scarico sulla mandata. I principali
• UNTUOSA o LIMITE (monomolecular film lubrification): le superfici
pregi di un eiettore sono: vasta scelta di fluidi motori (acqua
a contatto sono ricoperte da uno strato di molecole che vi
dolce e di mare, olio, vapore, aria, ecc.) e aspirati (acqua dolce e
aderiscono per adsorbimento;
di mare, reagenti chimici, liquidi schiumogeni, liquami, olio,
• IDRODINAMICA o FLUIDA (hydrodynamiclubrification): i due
fanghi, aria e gas, ecc.); assenza di parti in movimento quindi
elementi metallici in moto relativo sono separati da un film
minori usure, minima manutenzione, lunga durata; ampia
continuo di olio che viene forzato a insinuarsi in un meato a
possibilità di scelta dei materiali (metalli, plastica, ceramica,
sezione decrescente, lungo il quale aumenta la pressione ed
ecc.); costruzione semplice e robusta, possibilità di installazione
evita che i due elementi vengano in contatto;
in posizioni poco accessibili, autoadescamento, disponibilità in
• IDROSTATICA(hydrostaticlubrification): il contatto tra i due
versioni portatili e carrellabili, flessibilità di impiego, ecc. In
elementi metallici in moto relativo è evitato tramite una
tabella sono elencate alcune applicazioni dell’eiettore a bordo
continua portata di lubrificante che crea la voluta spinta solo
delle navi:
grazie alla propria pressione statica.
Fluido motore
Fluido aspirato
Servizio tecnico
Lubrificazione dei cuscinetti
acqua di mare
acqua di sentina
esaurimento sentina
acqua di mare
acque lavaggio cisterne
drenaggio
acqua di mare
liquidi schiumogeni
impianti antincendio a
schiuma
acqua di mare
acqua di mare
vuoto ai distillatori
acqua di mare
acqua di mare
innesco pompe centrifughe
acqua di mare/dolce
liquami
impianti sanitari
vapore
gas incondensabili
vuoto al condensatore
vapore
liquidi vari, fanghi
riscaldamento a vapore
A seconda della direzione del carico, i cuscinetti si distinguono
aria compressa
olio
lubrificazione aria circuiti
pneumatici
in:
un albero rotante. I cuscinetti possono essere:
• RADENTI o DI STRISCIAMENTO(slidingbearings): se la
superficie dell’albero striscia su quella del cuscinetto;
• VOLVENTI o A ROTOLAMENTO(rollingbearings): se fra albero
e cuscinetto vengono interposti corpi volventi.
Pag.14
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Un cuscinetto (bearing)è un elemento con il compito di sostenere
MANUALE di Macchine
• PORTANTI(journal bearings): se il carico sull’albero rotante è
perpendicolare al suo asse;
• PUNTO DI SCORRIMENTO(pour point): è la temperatura a cui
l’olio, in determinate condizioni di prova, non scorre più sotto
• DI SPINTA(thrustbearings): se il carico sull’albero rotante è
lungo il suo asse.
l’azione del proprio peso. In genere sono richiesti valori
massimi del punto di scorrimento intorno a – 10 °C;
• DEMULSIVITA’(demulsivity): è la proprietà dell’olio di separarsi
La lubrificazione dei cuscinetti portanti a strisciamento può
rapidamente dall’acqua.
avvenire sostanzialmente mediante sistemi ad anello o tramite
lubrificazione forzata. Mentre la lubrificazione dei cuscinetti a
Alterazioni dell’olio lubrificante durante il servizio
rotolamento può essere fatta a grasso o a olio. I sistemi più
Le alterazioni più frequenti alle quali l’olio lubrificante va incontro
utilizzati di lubrificazione a olio sono: a bagno d’olio, a
durante il suo servizio sono le seguenti: ossidazione, variazioni
circolazione, a goccia, a iniezione e a nebbia.
della viscosità ed infine abbassamento della temperatura di
Produzione degli olii lubrificanti(lubeoils production)
infiammabilità.
Un olio lubrificante è costituito di una base (minerale o sintetica o
Analisi dell’olio lubrificante(lubeoilanalsyses)
semisintetica) e di un (10 ÷ 30) % di additivi.
Il lubrificante va sottoposto a periodiche analisi delle sue
Principali
proprietà
generali
degli
olii
proprietà più importanti, con cadenza temporale stabilita dalla
lubrificanti(lubeoilsbasicproperties)
Compagnia. La tabella riporta i tempi massimi di campionatura
• MASSA VOLUMICA(density): i valori più comuni della massa
(espressi come ore di servizio continuativo) dell’olio lubrificante a
volumica degli olii lubrificanti sono generalmente compresi
seconda del tipo di impianto. Si tenga presente che un mese di
fra 900 e 950 kg/m3;
servizio continuativo equivale a circa 720 ore.
• VISCOSITA’(viscosity):
influenza
la
portanza
della
lubrificazione fluida, nonché l’aderenza e la tenuta allo
strappo della pellicola di olio;
SAE 30 = 100 ÷ 130 cSt a 40 °C (9,3 ÷ 12,5 cSt a 100 °C)
SAE 40 = 130 ÷ 220 cSt a 40 °C (12,5 ÷ 16,3 cSt a 100
°C)
SAE 50 = 220 ÷ 280 cSt a 40 °C (16,3 ÷ 21,9 cSt a 100
°C)
• INDICE DI VISCOSITA’(viscosity index): esprime di quanto varia
la viscosità al crescere della temperatura. Assume valori
intorno a 100 se l’olio ha buone capacità viscostatiche, valori
bassi (intorno a 40) se la viscosità cala molto al crescere
della temperatura;
• CONTENUTO DI ACQUA(water content): la presenza di acqua
nell’olio può dar luogo a morchie ed emulsioni, processi di
corrosione e calo dell’efficienza di alcuni additivi. Il contenuto
di acqua deve essere sempre inferiore all’1 %;
• TEMPERATURA DI INFIAMMABILITA’(flash point): questo
dato è importante soprattutto per i lubrificanti per motori. In
Apparecchiatura
motori principali
dieselgeneratori
turbocompressori
compressori di aria o gas
ingranaggi
circuiti idraulici
astuccio dell’elica
Campionatura
(ore)
2 000 ÷ 4 000
4 000 ÷ 8 000
4 000
8 000
8 000
8 000
2 000 ÷ 4 000
Le analisi dell’olio lubrificante possono effettuarsi in laboratorio
oppure a bordo. Un tipico report sull’olio usato in un motore
riporta le seguenti analisi effettuate in laboratorio: il grado di
viscosità, la densità, la viscosità cinematica, l’indice di viscosità,
la temperatura di infiammabilità, l’alcalinità ed infine il contenuto
di acqua. Invece a bordo si valutano, in genere, la viscosità, il
tenore di acqua, il TBN (Basic Number) ed infine si cerca di
stimare il cosiddetto invecchiamento dell’olio.
Trattamento dell’olio lubrificante(lubeoil treatment)
L’olio lubrificante, mentre lavora, subisce di continuo i seguenti
processi: un aumento di temperatura, uno sporcamento, un calo
del tenore di additivi ed infine un calo quantitativo. Pertanto i
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.15
questo casi il flash point dovrebbe essere intorno ai 250 °C;
MANUALE di Macchine
principali trattamenti che olio lubrificante subisce sono:
I gradi di libertà (GDL)(degrees of freedon) di un corpo sono i
raffreddamento, filtrazione e depurazione centrifuga.
movimenti fondamentali che esso può compiere. Una nave
Consumi dell’olio lubrificante(lubeoilconsumption)
possiede 6 GDL (vedi figura): oltre infatti alle variazioni verticali
L’olio lubrificante in circuito è soggetto a varie cause di consumo,
di immersione (lungo l’asse Z), essa può compiere due
per cui sono richiesti frequenti sondaggi e periodici reintegri
traslazioni sul piano orizzontale (lungo gli assi X e Y) e tre
(rabbocchi). Si definisce consumo specifico di olio lubrificante Co
rotazioni (di rollio intorno all’asse X, di beccheggio intorno
(espresso in g/kWh) il rapporto tra la portata in massa
all’asse Y e di accostata intorno all’asse Z). Un corpo rigido
Go(espressa in g/h) di olio consumato e la potenza meccanica P
piano che si muove nel suo piano possiede 3 GDL: le due
(espressa in kW) dell’impianto soggetto a lubrificazione:
traslazioni in questo piano e una rotazione intorno a un asse
Co =
Go
P
perpendicolare a questo piano.
Strutture labili, isostatiche e iperstatiche
Si riportano di seguito le proprietà tipiche di un olio
Un copro vincolato è fermo quando i vincoli bloccano tutti i suoi
commerciale“MOL DYNAMIC MK 9 15W-40”per motori diesel
movimenti possibili, cioè annullano tutti i suoi GDL. In generale
marini:
un corpo materiale vincolato si definisce:
Proprietà
densità a 15 °C
viscosità cinetica a 40 °C
viscosità cinetica a 100 °C
indice di viscosità
punto di colaggio
punto di infiammabilità (Cleveland)
indice di alcalinità (BN)
Valori tipici
0,884g/cm3
115,5 mm2/s
15,4 mm2/s
140
- 33 °C
230 °C
10,5 mgKOH/g
• labile se è vincolato in maniera insufficiente rispetto ai GDL;
• isostatico se è vincolato in misura minima affinché non si
muova;
• iperstatico se è vincolato in maniera esuberante rispetto ai
suoi GDL.
Il concetto di trave
Le travi(beams) sono strutture di un solo pezzo che presentano
Grassi lubrificanti(lubricatinggreases)
una dimensione prevalente rispetto alle altre. Possono
I grassi sono prodotti solidi o semisolidi ad alta viscosità adatti a
considerarsi travi: alberi di trasmissione, perni, puntoni, pistoni di
lubrificare organi: su cui agiscono elevate pressioni; a velocità
motori, tiranti, chiodi, ecc.
non molto elevate o in movimento saltuario nel tempo; esposti
Principali tipi di vincoli e loro simbologia
alle intemperie e al salino. Proprio perché molto viscoso, un
I più comuni tipi di vincoli sono i seguenti:
grasso ha però scarsa capacità di asportare calore, quindi un
suo uso improprio può anche portarlo a surriscaldarsi, col
risultato che tende a ossidarsi più facilmente, le sue proprietà
lubrificanti peggiorano e provoca incrostazioni e grippaggi. I
grassi si ottengono disperdendo agenti inspessenti e additivi in
un olio base minerale o sintetico. Tra i grassi più comuni si
possono citare i seguenti: grassi al sapone di litio; grassi al
sapone di calcio; grassi al silicone. Infine esistono speciali grassi
indicati con la sigla EP (extreme pressure) e AW (antiwear).
Nome del
vincolo
Simbolo
grafico
Movimenti consentiti
appoggio
semplice
o carrello
Traslazione parallela al piano di appoggio
Rotazione intorno al punto di appoggio
appoggio
fisso o
cerniera
Rotazione intorno al punto di appoggio
incastro o
incastro
fisso
Nessuno
LE REAZIONI VINCOLARI
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Nome del
vincolo
Simbolo
grafico
Movimenti impediti
Pag.16
Gradi di libertà di un corpo materiale
MANUALE di Macchine
appoggio
semplice
o carrello
Traslazione perpendicolare al piano di
appoggio
che si leggono nella maniera seguente:
• la somma di tutte le forze (attive e reattive) lungo l’asse X
deve essere nulla;
appoggio
fisso o
cerniera
Traslazione parallela al piano di appoggio
Traslazione perpendicolare al piano di
appoggio
• la somma di tutte le forze (attive e reattive) lungo l’asse Y
incastro o
incastro
fisso
Traslazione parallela al piano di incastro
Traslazione perpendicolare al piano di
incastro
Rotazione intorno al punto di incastro
• la somma di tutti i momenti (attivi e reattivi) lungo l’asse Z
deve essere nulla;
deve essere nulla.
RESISTENZA DEI MATERIALI
Nome del
vincolo
Simbolo
grafico
Nello studio di una trave e dei suoi vincoli si possono presentare
Reazioni vincolari
appoggio
semplice
o carrello
FORZA con retta di azione passante per
il vincolo e perpendicolare al piano di
appoggio
appoggio
fisso o
cerniera
FORZA con retta di azione passante per
il vincolo e parallela al piano di appoggio
FORZA con retta di azione passante per
il vincolo e perpendicolare al piano di
appoggio
incastro o
incastro
fisso
due casi possibili:
• CALCOLO DI PROGETTO: scelto il materiale della trave e
dei suoi vincoli, calcolare loro forma e dimensioni minime
affinché la struttura resista ai carichi esterni in tutta
sicurezza;
• CALCOLO DI VERIFICA: scelto il materiale della trave e dei
suoi vincoli e note loro forma e dimensioni, calcolare se la
struttura è in grado di resistere ai carichi esterni assegnati.
FORZA con retta di azione passante per
il punto di incastro
MOMENTO giacente nel piano
Sforzi agenti su ogni
sezione di una trave
I carichi esterni
Nel nostro studio faremo
I carichi esterni possono essere concentrati o distribuiti. I carichi
quasi sempre l’ipotesi che
concentrati(point loads) (vedi figura) sono forze che agiscono su
la trave sia piana e caricata
una sezione precisa della
nel piano longitudinale XZ
trave.
(vedi
I
carichi
figura)
che
la
distribuiti(distributed loads)(vedi figura) sono forze che agiscono
contiene, per cui la forza agente sulla sezione è contenuta nel
lungo tratti della trave.
piano longitudinale stesso e si scompone in due componenti:
• una lungo l’asse della trave o asse longitudinale X, detta
SFORZO NORMALE N, il quale può essere di TRAZIONE
Un corpo vincolato soggetto a carichi esterni è in equilibrio
(tension)
statico se valgono le seguenti condizioni:
Condizioni fisiche
COMPRESSIONE
Condizioni analitiche
il corpo non trasla
R=0
il corpo non ruota
M=0
È nullo il risultante di tutte le forze
attive e reattive applicate al corpo
È nullo il risultante di tutti i
momentiattivi e reattivi applicati al
corpo
Fx =0
;
Fy =0 ;
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Mz =0
(compression)
se
tende
invece
ad
accorciarla;
• una lungo l’asse verticale Z, detta SFORZO DI TAGLIOT,
che agisce sul piano trasversale YZ e che tenderebbe a far
scorrere una sezione della trave parallelamente a quella
Nel caso di corpi rigidi piani le equazioni cardinali della
statica(cardinal equations of static) in forma scalare sono le seguenti:
se tende ad allungare la trave oppure di
contigua.
Sempre nell’ipotesi di
trave piana e caricata
nel
piano
XZ
(vedi
Pag.17
Equilibrio statico dei corpi
MANUALE di Macchine
figura) che la contiene, il momento agente sulla sezione si
σamm =
scompone in due componenti:
• uno rotante rispetto all’asse trasversale Y, detto MOMENTO
mentre la tensione tangenziale ammissibileτamm [N/mm2]:
FLETTENTEMf, che agisce tendendo a incurvare la trave
intorno all’asse Y;
• uno
rotante
rispetto
all’asse
X,
detto
MOMENTO
TORCENTEMt, il quale tende a far ruotare la trave intorno
all’asse X.
σR
n
τamm = 0,8·σamm
Il fattore numerico n è chiamato COEFFICIENTE DI SICUREZZA
(safety factor) e
assume valori che dipendono dal materiale, dal tipo
di costruzione e dalle condizioni di lavoro; mentre σR [N/mm2] è
chiamato TENSIONE o CARICO DI ROTTURA (breaking unit stress),
Tensioni interne (internal stresses)
dipende dal tipo di materiale.
Ogni tipo di sforzo (o sollecitazione) induce nei corpi elastici un
suo tipo di deformazione. Lo sforzo di trazione causa un
allungamento dei legami interni, lo sforzo di compressione un
σamm(*)
(N/mm2)
75 ÷ 130 (trazione)
65 ÷ 90 (compressione)
Materiale
Ferro omogeneo
loro accorciamento, il taglio comporta uno scorrimento relativo
delle sezioni del solido, il momento flettente incurva le fibre del
solido accorciandone alcune e allungandone altre, infine il
Acciai legati
320 ÷ 530 (trazione)
Rame
40 ÷ 50 (trazione)
80 ÷ 120 (compressione)
Ghisa
24 ÷ 50 (trazione)
120 ÷ 180 (compressione)
momento torcente comporta una rotazione relativa delle sezioni
del solido. Ora, quando un corpo soggetto a carichi esterni inizia
a deformarsi, al suo interno nascono delle forze interne di
reazione (dette reazioni molecolari) che tendono a opporsi alla
(*) Tali valori vanno divisi per 2 nel caso di sollecitazioni pulsanti mentre vanno
divisi per 3 nel caso di sollecitazioni alternative
deformazione. Le forze interne di reazione sono distribuite su
Sforzo normale (normal stress)
ogni sezione della trave originando una TENSIONE INTERNA
Esprimendo N in [N] e l’area A della sezione trasversale della
che si può scomporre in due componenti:
trave in [mm2], la tensione normale massima σMAX in [MPa] vale:
• una perpendicolare all’unità di superficie, detta TENSIONE
σMAX =
INTERNA NORMALE (normal unit stress)σ [N/mm2];
• una giacente nell’unità di superficie, detta TENSIONE
pertantol’equazione di resistenza risulterà:
N
≤σamm
A
INTERNA TANGENZIALE (shear unit stress)τ [N/mm2].
Equazioni di resistenza
Taglio (shear stress)
trova l’unità di superficie su cui agiscono le tensioni massime
σMAX e τMAX e devono risultare soddisfatte le seguenti equazioni
di resistenza:
e
τMAX ≤τamm
oveσamm indica la TENSIONE NORMALE AMMISSIBILE (normal
admissible unit stress)
e τamm la TENSIONE TANGENZIALE
Esprimendo T in [N] e l’area A della sezione trasversale della
trave in [mm2], la tensione tangenziale massima τMAX in [MPa]
vale:
T
τMAX = 1,5· per sezioni rettangolare e quadrata
A
T
τMAX = 1,3· per sezione circolare
A
pertantol’equazione di resistenza risulterà:
AMMISSIBILE (shear admissible unit stress). Le equazioni di
resistenza servono per risolvere problemi sia di progetto sia di
verifica. La tensione normale ammissibile σamm [N/mm2] è data
da:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
1,5·
T
≤ τamm per sezioni rettangolare e quadrata
A
T
1,3· ≤ τamm per sezione circolare
A
Pag.18
Sulla sezione critica si calcola la distribuzione delle σ e delle τ, si
σMAX ≤σamm
N
A
MANUALE di Macchine
Momento flettente (bending moment)
momento resistente Mr, mentre ogni sezione dell’albero rotante,
Per le ipotesi fatte in precedenza, il momento flettente Mf agisce
che subisce la sollecitazione connessa col trasmettere questo
nel piano longitudinale. Il piano XZ è detto piano di flessione, la
momento, lo vede come momento torcente Mt. Per la sezione
sua intersezione Z col piano della sezione è detta asse di
circolare l’andamentodelle tensioni τ è lineare (vedi figura).
flessione e quella Y col piano orizzontale è detta asse neutro.
Esprimendo Mt in [Nmm] e il modulo di resistenza a torsione Wt
della sezione trasversale della trave in [mm3], la tensione
tangenziale massima τMAX in [MPa] vale:
τMAX =
Per la sezione rettangolare l’andamento delle tensioni σ è lineare
(vedi figura).
Esprimendo
pertanto l’equazione di resistenza risulterà:
Mt
≤ τamm
Wt
Mf in
[Nmm] eil modulo di
resistenza
a
flessioneWf
Wt
(mm3)
Sezione trasversale trave
della
sezione trasversale
della trave in [mm3],
la tensione normale
massima
Mt
Wt
σMAX
circolare piena (di diametro d[mm])
0,2⋅d3
circolare cava (di diametro esterno de[mm] e
diametro interno di[mm])
d 4
0,2·d3e ⋅[1 - ( i ) ]
de
in
La trave – nave
[MPa] vale:
σMAX =
Molto interessante è studiare la nave come una trave, cioè la
Mf
Wf
cosiddetta trave – nave. In una nave reale i vari pesi distribuiti
lungo lo scafo (ossature, paratie, apparato motore, altri impianti,
pertanto l’equazione di resistenza risulterà:
carico nelle stive, ecc.) originano un DIAGRAMMA DEI PESI(load
Mf
≤ σamm
Wf
Sezione trasversale trave
circolare piena (di diametro d[mm])
diagram).
Così pure la spinta, variabile lungo lo scafo a seconda
Wf
(mm3)
dei diversi volumi immersi delle sue sezioni, si può rappresentare
0,1⋅d3
SPINTE(buoyancy diagram) che, quasi costante lungo lo scafo, in
graficamente
con
un
analogo
DIAGRAMMA
DELLE
genere tende ad assottigliarsi verso le estremità prodiera e
circolare cava (di diametro esterno de[mm] e
diametro interno di[mm])
0,1·d3e ⋅[1
di 4
-( ) ]
de
poppiera fino a ridursi a zero. Per differenza fra i due diagrammi
si ottiene infine il DIAGRAMMA DEI CARICHI(weight diagram) che,
quadrata (di lato a[mm])
a3/6
sezione per sezione, potrà essere rivolto verso il basso o verso
l’alto a seconda che prevalgano i pesi o le spinte (vedi figura). A
Momento torcente (torsion moment)
questo
Un tratto di trave è sollecitato da momento torcente Mt se alle
sappiamo
sue estremità agiscono due momenti torcenti uguali e opposti
integrando
il
contenuti nel piano della sezione. Il momento impresso a
diagramma
dei
un’estremità dell’albero rotante dalla fonte di potenza è un
carichi
può
momento motore Mm, il momento uguale e contrario opposto da
costruire quello dello
chi riceve questa potenza
sforzo di taglio e,
trasmessa (carico) è detto
integrando
che
si
Pag.19
per conduttori e costruttori del mezzo navale
punto
poi
MANUALE di Macchine
ancora quest’ultimo, costruire quello del momento flettente che è
ηm =
lo sforzo più
Pr
Pm
temibile per navi aventi una lunghezza pari a molte volte la loro
larghezza. In figura si riporta, a titolo di esempio, i diagrammi
delle spinte, dei carichi, del taglio e del momento flettente per
una bulk carrier nella condizione di carico in cui trasporta
minerali di ferrosi nelle stive di numero dispari.
Tipo di trasmissione meccanica
ηm
diretta
95 % ÷ 99 %
indiretta
fino all’ 85 %
mentre la POTENZA PERDUTAPp è definita:
Pp = Pm – Pr
essa viene trasformata in calore prodotto dalle resistenze
passive. Il rendimento meccanico della trasmissione può anche
essere scritto nel modo seguente:
ηm =
Pm -Pp
Pp
=1Pm
Pm
Infine si definisce PERDITA DI RENDIMENTO MECCANICO della
trasmissione:
1-ηm =
Pp
Pm
Detto ω1 (n1) la velocità angolare (numero di giri al minuto)
TRASMISSIONE MECCANICA DEL MOTO
dell’organo motore e ω2 (n2) la velocità angolare (numero di giri
al minuto) dell’organo condotto, si definisce rapporto di
Generalità
trasmissionei:
Negli impianti di propulsione navale, ma anche nella maggior
i=
parte degli impianti ausiliari di bordo, si presenta la necessità di
ω1 n1
=
ω2 n2
trasmettere potenza meccanica a una certa distanza perché la
Aste e alberi (rods and shafts)
sua fonte prima non è immediatamente vicina al carico che deve
La trasmissione di potenza meccanica traslatoria tramite ASTE è
utilizzarla. Si aggiunga che tale trasferimento a distanza della
semplice e immediate, può interessare potenze rilevanti ma si
potenza meccanica richiede spesso anche la modifica dei suoi
presta solo per brevi distanze, al massimo pochi metri. La
parametri caratteristici, come il regime rotazionale o il tipo di
trasmissione di potenza meccanica rotatoria ALBERI o ASSI è
moto. La trasmissione meccanica a distanza può essere
diffusissima e può interessare potenze enormi. Per trasmettere
suddivisa in diretta e indiretta. La trasmissione meccanica diretta
potenza tramite un albero rotante suddiviso in più tronchi
avviene tramite: organi rigidi (aste e alberi); ruote di frizione,
collegati in serie, gli organi meccanici usati a tale scopo si dicono
ruote dentate e rotismi; organi flessibili (cinghie, funi, catene);
GIUNTI(couplings)(vedi
figura) se realizzano un collegamento
sistema biella – manovella; sistema camma – punteria. La
permanente che si può interrompere solo in
trasmissione meccanica indiretta avviene tramite: circuiti elettrici;
posizione di fermo, FRIZIONI(clutches)o “giunti
circuiti oleodinamici; circuiti pneumatici. Detta Pm la POTENZA
disinseribili” (vedi figura) se consentono di
MOTRICE
che si vuole trasmettere a distanza e Pr la POTENZA
RESISTENTE
che raggiunge l’utilizzatore, si definisce RENDIMENTO
collegare e scollegare i
due alberi mentre sono in moto.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.20
MECCANICOηmdella trasmissione il rapporto:
MANUALE di Macchine
Fra i giunti propriamente detti si ha il giunto a flange (vedi figura),
• RUOTE DENTATE CILINDRICHE A DENTI DRITTI(straight-cut cylindrical
il giunto elastico (vedi figura) e
toothed wheels). Sono
ruote dentate con assi paralleli tra loro e i
il giunto SKF.
denti disposti in direzione parallela all’asse della ruota(vedi
figura). Il rendimento è in genere compreso fra 96 % e 99%.
Nelle ruote dentate a denti dritti la coppia di denti in presa
abbandona nello stesso istante il contatto su tutta la
Ruote di frizione (friction wheels)
Detti ω1 la velocità angolare della ruota motrice, d1 il suo
diametro e ω2 e d2 i parametri corrispondenti della ruota
ugualmente in tutti i suoi punti, per cui il funzionamento
risente di inevitabili rumori e vibrazioni.
condotta, il rapporto di trasmissioneivale:
i=
larghezza della corona e la coppia successiva lo riprende
• RUOTE DENTATE CILINDRICHE A DENTI ELICOIDALI(helicalcylindrical
ω1 d2
=
ω2 d1
wheels).
La trasmissione tramite ruote di frizione è dolce e silenziosa, ha
un rendimento 88 % ÷ 90 % ma non è in grado di trasmettere
potenze elevate per cui non ha applicazioni negli impianti navali.
I denti presentano l’asse di simmetria inclinato
rispetto all’asse di rotazione (vedi figura). Tale angolo, detto
di obliquità, è generalmente compreso fra 25° e 40°, con
valori più frequenti di 30°. Nelle ruote dentate a dentatura
elicoidale
Ruote dentate(toothed wheels)
ruote di frizione munite di denti. Pertanto la forza tangenziale
periferica non nasce dall’attrito fra le due ruote, ma dalla
resistenza meccanica dei denti, profilati e dimensionati in modo
tale da consentire la trasmissione di una potenza ben maggiore
di quella ottenibile con ruote di frizione. L’insieme di due ruote
dentate è un INGRANAGGIO(gear), la ruota di minor diametro è detta
o
ROCCHETTO,
avviene
con
più
denti
contemporaneamente in presa, quindi la maggiore superficie
Una coppia di ruote dentate si può pensare come una coppia di
PIGNONE
l’ingranamento
quella
di
maggior
diametro
semplicemente RUOTA. Detti rispettivamente z1 e z2 i numeri di
denti della ruota motrice e di quella condotta, n1 e n2 i loro regimi
rotazionali in giri/min, ω1 e ω2 le loro velocità angolari in rad/s, d1
e d2 i diametri delle loro circonferenze primitive (passanti per i
punti in cui la larghezza dei denti è uguale a quella dei vani che li
separano) in mm, si definisce rapporto di trasmissione i:
ω1 n1 d2 z2
= = =
i=
ω2 n2 d1 z1
di contatto consente un carico minore. In conclusione
l'ingranamento è più dolce e graduale, senza urti né
vibrazioni e con minori perdite per attrito; chiaramente una
dentatura elicoidale ha un costo più elevato di una a denti
dritti. Succede però che in una dentatura semplicemente
elicoidale lo sforzo trasmesso si scompone in una
componente tangenziale (responsabile della trasmissione del
moto) e in una assiale che tenderebbe allo sfilamento della
ruota. Per questo motivo si adotta quasi sempre la dentatura
bielicoidale (vedi figura), soluzione più onerosa ma che
consente alle due spinte assiali di equilibrarsi in modo
naturale fra loro. Le dentature bielicoidali hanno un ottimo
rendimento (97 % ÷ 99 %) e sono particolarmente
vantaggiose quando si debbano trasmettere potenze
rilevanti, come è appunto il caso dei riduttori del numero di
giri utilizzati negli impianti di propulsione navale.
• RUOTE DENTATE CONICHE(conicaltoothed wheels). Le superfici
molto variabili a seconda delle potenze da trasmettere e delle
primitive sono formate da tronchi di cono aventi in comune il
condizioni operative: si va dalla plastica alle cuproleghe, dalle
vertice dei coni a cui appartengono e in contatto geometrico
ghise agli acciai di varia qualità. La lubrificazione svolge un ruolo
lungo il lato, che rappresenta la larghezza della dentatura, la
fondamentale agli effetti del rendimento dell’ingranaggio e per
quale può essere a denti dritti o obliqui (vedi figura). Il
prevenire o almeno ridurre i fenomeni di usura. Le principali ruote
rendimento varia fra 95 % e 98 %.
dentate sono:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.21
I materiali impiegati per la costruzione delle ruote dentate sono
MANUALE di Macchine
• COPPIA VITE SENZA FINE – RUOTA ELICOIDALE(worm – helicoidal
wheel system).Questo
per la prima riduzione il RIDUTTOREEPICICLOIDALEperché piccolo e
meccanismo, detto anche ingranaggio a
leggero anche se molto costoso. Tali ingranaggi sono
vite perpetua, è costituito di una vite motrice e una ruota
caratterizzati dal fatto che alcune delle ruote dentate che li
condotta ad assi sghembi ortogonali e serve per trasmettere
costituiscono sono trasportate da un equipaggio mobile per cui
potenza con grande riduzione della velocità(vedi figura). Il
risultano animate, oltre che da un moto di rotazione intorno ai
rendimento è compreso fra 60 % e 85 %.
propri assi, anche da un moto di rivoluzione intorno agli assi fissi
Rotismi (gear trains)
Si definiscono ROTISMI quei meccanismi formati da due o più
ingranaggi che ingranano fra di loro. Un rotismo può avere una
struttura di tipo a stella (cioè con una ruota centrale motrice che
muove più ruote periferiche) o di tipo lineare (cioè con una prima
ruota motrice che ne muove una seconda e questa a sua volta
una terza e così via fino a un’ultima ruota mossa) o anche di tipo
misto. In un rotismo come quello mostrato nella figura, indicati
con i1, i2, i3 e i4 i rapporti parziali di trasmissione delle singole
coppie di ruote, il rapporto di trasmissione i del rotismo è dato da:
n1
i= =i1 ·i2 ·i3 ·i4
n2
di altre ruote facenti parte dello stesso rotismo. In una delle sue
forme più semplici, un riduttore epicicloidale (vedi figura) è
formato da una corona circolare internamente dentata detta
anulus (1) sulla quale ingranano due o più ruote dentate a denti
dritti dette planetari (2) mossi da un ingranaggio centrale
chiamato sole (3) calettato sull’albero motore (4) ad alta velocità.
Gli assi dei planetari sono alloggiati in un equipaggio mobile (5)
solidale con l’albero (6) che ruota a velocità molto più ridotta e
che è collegato direttamente con il carico (elica navale) o con il
pignone di una seconda riduzione di velocità, di tipo
convenzionale oppure anch’essa di tipo epicicloidale.
Organi flessibili (flexible drives)
Un rotismo formato da più coppie di ruote in serie è detto
La trasmissione del moto fra due alberi posti a una certa distanza
quando i > 1, MOLTIPLICATORE quando i < 1. I rotismi
fra loro può anche essere ottenuta tramite organi flessibili
RIDUTTORE
trovano impiego per tre scopi fondamentali:
(cinghie, cavi, catene) che si avvolgono su organi rotanti rigidi
• comandare contemporaneamente più ruote mosse agendo
(pulegge, tamburi, corone dentate). I principali organi flessibili
su un’unica ruota motrice;
• coprire una certa distanza tra due alberi rotanti;
sono:
• CINGHIE(belts). Una cinghia (o cingolo) è un nastro flessibile
• ottenere, con più coppie di ruote dentate poste in serie, un
continuo e chiuso avvolto su due pulegge, una delle quali è
elevato rapporto di riduzione o di moltiplicazione del numero
motrice e l’altra condotta. In una trasmissione per cinghia
dei giri.
(vedi figura) il motore primo (1) aziona la puleggia motrice (2)
I riduttori di giri sono usati per ridurre la velocità con cui un asse
trasmette potenza; un tipico impiego si ha nella propulsione
navale affidata a motori primi ad alto regime rotazionale i quali
devono azionare un’elica che, come è noto, sviluppa al meglio il
suo effetto propulsivo quando ruota da circa 60 a 130 rpm. Sulle
turbonavi l’ingombro dei riduttori ha sempre reso problematica la
disposizione del gruppo di propulsione, dovendosi scegliere se
arretrarlo verso una poppa tanto tozza da offrire scarse qualità
nautiche o disporlo più al centro, allungando la linea d’assi e il
relativo tunnel, con conseguente calo dello spazio per il carico e
maggiori perdite nei supporti. Le ultime turbonavi adottarono così
per conduttori e costruttori del mezzo navale
che, tramite la tensione creata dal ramo conduttore (3) della
cinghia alimentata dal ramo condotto (4), trasmette il moto
alla
puleggia
condotta
(5)
calettata
sull’albero
(6)
dell’utilizzatore. L’elasticità delle cinghie deve essere tale da
facilitare il loro montaggio ma non eccessiva, per evitare una
variazione del rapporto di trasmissione al variare della
potenza trasmessa. Le cinghie sono realizzate con sezione
avente forma rettangolare, trapezia, tonda, ecc. Le cinghie
dentate garantiscono un rapporto di trasmissione esatto e
costante. Le pulegge sono in genere di ghisa o di acciaio. La
trasmissione tramite cinghie si presta a rapporti di
trasmissione anche elevati (fino a i = 20), è silenziosa e
Pag.22
Riduttori del numero dei giri (reduction gears)
MANUALE di Macchine
morbida, inoltre consente di effettuare una variazione a
− minutenze(c < 3 cm) sono cordami di dimensioni minori
gradini del rapporto di trasmissione con semplici manovre di
usati per vari lavori di attrezzatura marinaresca, dalle
passaggio della cinghia su pulegge vicine, nonché la
sagole ai merlini, ai commandi, ai lezzini fino agli spaghi.
variazione continua di velocità. Tale tipo di trasmissione è
• CATENE(chains).
spesso usata a bordo delle navi per azionare pompe,
ventilatori e compressori d’aria e per gruppi frigoriferi. Può
Sistema biella – manovella (crank – connecting rod system)
trasmettere potenze fino a 700 kW, con rendimenti dal 95 %
al 98 % e velocità periferiche da 0,5 a 50 m/s.
• CAVI(ropes). A bordo delle navi i cavi non trovano quasi mai
impiego per il trasferimento continuo di potenza meccanica a
distanza quanto per lo spostamento saltuario di pesi (carico
Sistema camma – punteria (cam – tappet system)
della nave, organi di macchine, ecc.) e per manovre di
tonneggio. I cavi metallici sono costituiti di un certo numero di
fili di acciaio, avvolti a elica intorno a un’anima centrale o di
fibre naturali o artificiali. Se è previsto l’impiego in ambienti
umidi e corrosivi, come è appunto il caso navale, i fili
elementari sono rivestiti di un sottile strato di zinco o di una
lega cadmio – zinco e i cavi vanno lubrificati a scopo
protettivo. Le pulegge su cui si devono avvolgere i cavi
metallici sono provviste di opportune solcature a sviluppo
elicoidale aventi una gola di forma adatta ad alloggiare il
cavo senza che questo possa fuoriuscire né rimanervi
incastrato. Sono tuttora utilizzati cavi di fibra sintetica (in
nylon, perlon, dacron, meraklon, ecc.). I cavi di fibra
resistono a trazione meno di quelli metallici ma, essendo più
leggeri, possono arrivare a circonferenze di 65 cm, a cui
corrispondono carichi totali di rottura anche superiore a circa
150 t: sono quindi usati con successo se servono flessibilità
ed elasticità, come nelle operazioni di tonneggio, ormeggio e
rimorchio. A seconda della circonferenza c, i cavi di fibra
vengono suddivisi nel modo seguente:
− gomene sono i cavi di maggior dimensioni, con
circonferenza superiore a 48 cm, usati per rimorchi e per
ormeggio;
− gomenette(c = 32 ÷ 48 cm), gherlini(c = 16 ÷ 32 cm),
cavi(c = 10 ÷ 16 cm) e ghie(c = 3 ÷ 10 cm) sono cavi
usati per piccole operazioni di tonneggio, ormeggio,
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.23
rimorchio;
MANUALE di Macchine
dinamica µ ed espressa in poise (1 P = 0,1 N⋅s/m2) o in
centipoise (1 cP = 0,01 P); oppure più spesso come viscosità
cinematica υ definita come il rapporto tra la viscosità dinamica e
la massa volumica:
TERMODINAMICA TECNICA
ν
µ
ρ
espressa in stoke (1 St = 0,0001 m2/s = 1 cm2/s) o in centistoke
(1cSt = 0,01 St = 1 mm2/s).
GRANDEZZE FONDAMENTALI
Riportiamo i valori della massa volumica, del peso volumico e del
Massa volumica o densità (density)
La massa volumica ρ [kg/m3] di una sostanza omogenea è il
rapporto tra la massa m [kg] e il suo volume V [m3]:
m
ρ=
V
Volume massico o volume specifico (specific volume)
Il volume massico v [m3/kg] di una sostanza omogenea è il
rapporto il volume V [m3] e la sua massa m [kg] ed è anche
uguale all’inverso della massa volumica ρ [kg/m3]:
v=
1 V
=
ρ m
calore specifico di alcune sostanze a 20 °C:
Sostanza
Acciaio dolce
Acqua dolce
Acqua di mare
Benzina
Kerosene
Gasolio
Olio combustibile o bunker pesante (residui)
Olio lubrificante
Aria
Massa volumica
ρ (kg/m3)
7 830
1 000
1 020 ÷ 1 030
700 ÷ 770
770 ÷ 820
820 ÷ 900
900 ÷ 1 050
900 ÷ 950
1,22
Peso volumico o peso specifico (specific gravity)
Il peso volumico γ [N/m3] di una sostanza omogenea è il rapporto
tra il peso m⋅g [N] e il suo volume V [m3]:
m·g
γ=
= ρ·g
V
in cui g [m/s2] rappresenta l’accelerazione di gravità.
Capacità termica massica o calore specifico (specific heat)
Per capacità termica massica (o calore specifico) c [J/kgK] si
intende la quantità di calore Q [J] che bisogna fornire (o sottrarre)
all’unità di massa m [kg] di una sostanza per elevare (o
Sostanza
Acciaio dolce
Acqua dolce
Acqua di mare
Benzina
Kerosene
Gasolio
Olio combustibile o bunker pesante (residui)
Olio lubrificante
Aria
Peso volumico
γ= ρ g (N/m3)
76 812
9 810
10 006 ÷ 10 104
6 867 ÷ 7 554
7 554 ÷ 8 044
8 044 ÷ 8 829
8 829 ÷ 10 301
8 829 ÷ 9 320
11, 97
abbassare) la sua temperatura T [K] di 1 K:
Lo scarto tra calore specifico a pressione costante cp e il calore
specifico a volume costante cv è trascurabile per solidi e liquidi
ma è marcato per gli aeriformi.
Viscosità(viscosity)
La viscosità esprime la resistenza offerta da un fluido al suo
scorrimento. La viscosità può essere espressa come viscosità
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Sostanza
Acciaio dolce
Acqua dolce
Acqua di mare
Benzina
Kerosene
Gasolio
Olio combustibile o bunker pesante (residui)
Olio lubrificante
Aria
Calore specifico
c (kJ/kg K)
0,488
4,18
4,0
2,09
2,1
1,88
1,67 ÷ 2,01
1
Pag.24
Q
c=
m·(T2 -T1 )
MANUALE di Macchine
Si considerino due sistemi termodinamici A e B che scambiano
calore tra loro. In particolar modo sia Φ1 il flusso termico che
esce dal sistema A e Φ2 il flusso termico che entra realmente nel
sistema B e Φd il flusso termico disperso. Si definisce
rendimento di trasmissione ηtrasm:
TERMODINAMICA GENERALE
ηtrasm =
Tipi di sistemi termodinamici
Φ2
Φ =η ·Φ
Φ1 2 trasm 1
I sistemi termodinamici chiusi hanno con l’esterno scambi di
calore e lavoro, ma non di materia. Invece i sistemi
in cui:
termodinamici aperti hanno con l’esterno scambi sia di materia,
sia di calore e lavoro.
Convenzione sul segno degli scambi di calore e di lavoro
Q>0
il sistema assorbe calore
dall’esterno
Q<0
il sistema cede calore
all’esterno
L>0
il sistema fornisce lavoro
all’esterno
L<0
il sistema riceve lavoro
dall’esterno
Φ1 = Φ2 + Φd
Φd = Φ1 - Φ2
Tipo di apparecchiatura
Caldaia a recupero di gas di scarico (produce
vapore con il calore sottratto ai gas di scarico di un
motore diesel)
Refrigerante di acqua dolce a mezzo di acqua di
mare
Condensatore del vapore di turbina
ηtrasm(%)
96 ÷ 98
98 ÷ 99
100
Lavoro meccanico in termodinamica
Il lavoro L [J] di una sostanza cha passa dal volume iniziale V1
[m3] al volume finale V2 [m3] a pressione costante p [Pa] è dato
Scale termometriche(thermometricscales)
da:
La temperatura (temperature)assoluta T[K] e la temperatura
L = p⋅(V2 – V1)
centigrada t [°C] sono legate dalle seguenti relazioni:
T ≅ t + 273
e
t ≅ T – 273
mentre il lavoro massico l[J/kg] è:
l= p⋅(v2 – v1)
Calore(heat)
Il calore Q [J] che si deve scambiare con la massa m [kg] di una
in cui v2 [m3/kg] e v1 [m3/kg] rappresentano rispettivamente i
sostanza di calore specifico c [J/kgK] perché la sua temperatura
volumi massici finale e iniziale della sostanza.
passi dal valore iniziale t1 [°C] al valore finale t2 [°C] è dato da:
Energia interna(internal energy)
Q = m⋅c⋅(t1 – t2)
L’energia interna U [J] descrive bene il contenuto energetico di
un fluido che opera all’interno di un sistema termodinamico
mentre il calore massico q [J/kg] è:
q =Q/m = c⋅(t1 – t2)
Infine il flusso termico Φ [W] che si deve scambiare con la
portata massica Gm [kg/s] di una sostanza di calore specifico c
[J/kgK] che fluisce con continuità nel tempo affinché la sua
temperatura passi dal valore iniziale t1 [°C] al valore finale t2 [°C]
è dato da:
chiuso:
U = Utermodinamica + Uchimica + Ucinetica + Ugravitazionale
Entalpia(enthalpy)
L’entalpia H [J] si presta bene per esprimere il contenuto
energetico di un fluido che opera in un sistema termodinamico
aperto; cioè rappresenta l’energia totale associata a un fluido,
uguale alla somma della componente termica e della
Bilancio termico(heat balance)
per conduttori e costruttori del mezzo navale
componente meccanica:
H = U + p⋅V
Pag.25
Φ = Gm⋅c⋅(t1 – t2)
MANUALE di Macchine
e quindi:
in cui p [Pa] indica la pressione assoluta, v [m3/kg] il volume
massico, R [J/kgK] la costante del gas perfetto e T [K] la
h = u + p⋅v
temperatura assoluta.
in cui U [J] rappresenta l’energia interna, p [Pa] la pressione e V
[m3] il volume; mentre u [J/kg] rappresenta l’energia interna
massica, p [Pa] la pressione e v [m3/kg] il volume massico.
Entropia(entropy)
La variazione finita di entropia massica ∆s [J/kg] (per
trasformazioni reversibili) a temperatura variabile vale:
∆s = s2 - s1 = c·ln
T2
T1
in cui c [J/kgK] rappresenta il calore specifico della sostanza, T2
[K] il valore finale della temperatura assoluta e T1 [K] il valore
iniziale della temperatura assoluta. Nel caso di temperatura
costante è:
q
∆s = s2 - s1 =
T
Gas e vapori
R
kJ/(kg⋅K)
cp
kJ/(kg⋅K)
cv
kJ/(kg⋅K)
K=
cp/cv
0,260
0,297
0,287
0,922
1,042
1,004
0,662
0,745
0,717
1,39
1,40
1,40
0,297
1,041
0,745
1,40
0,189
0,842
0,653
1,29
0,518
0,462
2,254
1,872
1,735
1,411
1,30
1,33
Ossigeno (O2)
Azoto (N2)
Aria
Monossido di
carbonio (CO)
Anidride
carbonica (CO2)
Metano (CH4)
Vapor d’acqua
in cui q [J/kg] rappresenta il calore massico e T [K] la
temperatura assoluta.
Trasformazione isoterma (a temperatura costante)
Primo principio della termodinamica(first law of thermodynamics)
Supponiamo che il sistema termodinamico riceva dall’esterno
Grandezza
Temperatura
calore massico q e ceda all’esterno lavoro massico l; allora se il
Pressione assoluta
Equazione
costante
v1
p2 =p1 ·
v2
sistema è chiuso la variazione dell’energia interna massica vale:
∆u = u2 – u1 = q – l
mentre se il sistema è aperto la variazione dell’entalpia massica
Calore massico = Lavoro massico
vale:
Variazione di energia interna
massica
Variazione di entalpia massica
∆h = h2 – h1 = q – l
In una trasformazione isobara (p = costante) si ha:
v2 =v1 ·
Volume specifico (o massico)
q = l = R·T·ln
Variazione di entropia massica
p1
p2
p
v2
= R·T·ln 1
v1
p2
∆u = 0
∆h = 0
p
v2
∆s=R·ln =R·ln 1
v1
p2
h2 – h1 = q = cp⋅(t1 – t2)
Trasformazione isocora (a volume costante)
(h2 – h1) = –l = – p⋅(v2 – v1)
Grandezza
Volume specifico (o massico)
Pressione assoluta
TERMODINAMICA DEI GAS
Temperatura
Il gas perfetto(ideal gas)
L’equazione di stato del gas perfetto è la seguente:
p⋅v = R⋅T
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Calore massico
Lavoro massico
Variazione di energia interna massica
Variazione di entalpia massica
Equazione
costante
T2
p2 =p1 ·
T1
p
T2 =T1 · 2
p1
q = cv ·(T2 -T1
l=0
∆u = cv⋅(T2 – T1)
∆h = cp⋅(T2 – T1)
Pag.26
mentre in una trasformazione adiabatica (q = 0) si ha:
MANUALE di Macchine
Variazione di entropia massica
∆s = cv ·ln
T2
T1
k
· p ·v - p ·v
k-1 1 1 2 2
k
l=
·R· T1 - T2
k-1
l=
Lavoro massico (sistema aperto)
l = cp ·(T1 - T2 )
Variazione di energia interna massica
Variazione di entalpia massica
Variazione di entropia massica
∆u = cv⋅(T2 – T1)
∆h = cp⋅(T2 – T1)
∆s = 0
I piani termodinamici
I piani termodinamici usati più frequentemente sono:
• il piano (p; v) o dinamico o di Clapeyron(pressure-volume chart);
Trasformazione isobara (a pressione costante)
Grandezza
Pressione assoluta
Equazione
costante
T2
T1
Volume specifico (o massico)
v2 =v1 ·
Temperatura
v2
T2 =T1 ·
v1
• il piano (T; s) o entropico o di Clausius(temperature-entropy chart);
• il piano (h; s) o entalpico o di Mollier(enthalpy-entropy chart).
Nelle figure seguenti sono raffigurate le principali trasformazioni
termodinamiche nei piani di Clapeyron, di Clausius e di Mollier:
q = cp ·(T2 -T1
Calore massico
Lavoro massico
Variazione di energia interna massica
Variazione di entalpia massica
l = p⋅(v2 – v1)
∆u = cv⋅(T2 – T1)
∆h = cp⋅(T2 – T1)
T2
∆s = cp ·ln
T1
Variazione di entropia massica
Trasformazione adiabatica reversibile (senza scambio di
calore verso l’esterno)
Grandezza
Equazione
Pressione assoluta
p2 = p1 ·(
Volume massico
v2 = v1 ·(
Temperatura
T2 = T1 ·(
Calore massico
v1 k
)
v2
p1 1⁄k
)
p2
p2 (k-1)⁄k
)
p1
q=0
1
· p ·v - p ·v
k-1 1 1 2 2
1
l=
·R· T1 - T2
k-1
l=
Lavoro massico (sistema chiuso)
l=cv ·(T1 - T2 )
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Equazione
Pag.27
Grandezza
MANUALE di Macchine
Il titolo x di una miscela acqua – vapore (water steam ratio)è la
percentuale in massa di vapore saturo secco presente in
miscela:
x=
mv
mv
=
mm mv + ml
La curva limite inferiore (CLI) unisce gli stati di acqua satura x =
0 (mv = 0), invece la curva limite superiore (CLS) unisce gli stati
IL SISTEMA ACQUA – VAPORE
di vapore saturo secco x = 1 (ml = 0).
I passaggi di stato
Grandezze termodinamiche delle miscele acqua – vapore
• solido → liquido: fusione;
Il volume massico v, l’entalpia massica h e l’entropia massica s
• liquido → solido: solidificazione;
di una miscela acqua – vapore si calcolano con semplici
• liquido → aeriforme: vaporizzazione;
relazioni:
• aeriforme → liquido: condensazione;
v = vV⋅x
• solido → aeriforme: sublimazione;
• aeriforme → solido: brinamento.
Il processo di ebollizione(boilingprocess)
h = hL + r⋅x
s = sL + (sV – sL)⋅x
Cedendo calore all’acqua, detta in questa fase acqua
compressa, la sua temperatura cresce fino a un preciso valore,
detto temperatura di ebollizione, in cui compare una prima bolla
di vapore, stato in cui l’acqua è detta acqua satura. Continuando
a cedere calore, altra acqua diventa vapore ma la temperatura
resta costante; durante tale passaggio di stato il sistema è
bifasico ed è detto miscela acqua – vapore o vapore saturo
umido perché composto da vapore saturo e acqua liquida satura.
Quando l’acqua scompare il sistema è tutto vapore saturo secco;
continuando a cedere calore, il vapore sale di temperatura e si
dice vapore surriscaldato.
Calore latente di vaporizzazione e di condensazione
Il calore che deve essere fornito a 1 kg di liquido saturo affinché
vaporizzi completamente e diventi vapore saturo secco si indica
con la lettera r, si esprime in kJ/kg e prende il nome di calore
latente di vaporizzazione(boilinglatent heat). Alla stessa pressione
esso è uguale al calore latente di condensazione(condensationlatent
heat),
il quale è il calore che deve essere sottratto a 1 kg di
vapore saturo secco affinché condensi completamente a
temperatura costante e diventi liquido saturo.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.28
Titolo di una miscela acqua – vapore
MANUALE di Macchine
Le tabelle per il sistema acqua – vapore
Nellepagini seguenti sono riportate le tabelle di equilibrio o della
saturazione (saturationtables)del sistema acqua – vapore, dell’acqua
compressa
(compressed
water
tables)e
del
vapore
surriscaldato(superheatedsteamtables).
Trasformazioni termodinamiche nei piani termodinamici
Nelle figure seguenti sono raffigurate le principali trasformazioni
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.29
termodinamiche nei piani di Clapeyron, di Clausius e di Mollier:
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.30
MANUALE di Macchine
MANUALE di Macchine
S
Φ= λ· ·(t1 -t2 )
d
Le due curve limiti (CLI e CLS) e l’isoterma critica Tc delimitano
le zone (vedi figura accanto):
Convezione (convection)
• I acqua compressa
La trasmissione del calore per convezione stabilisce che il flusso
• II miscela acqua – vapore
termico Φ [W] è direttamente proporzionale all’area S [m2] della
• III vapore surriscaldato;
superficie sulla quale avviene il trasporto di energia, alla
• IV gas
differenza di temperatura t1 – t2 [°C] ed al coefficiente di
convezione αc [W/m2°C]:
Φ = αc ·S·(t1 -t2 )
Irraggiamento(radiation)
La trasmissione del calore per irraggiamento stabilisce che il
flusso termico Φ [W] è direttamente proporzionale alla superficie
S [m2] del corpo, alla quarta potenza della temperatura assoluta
T [K] del corpo stesso ed al coefficiente di irraggiamento αi
[W/m2K4]:
Φ = αi ·S·T4
Trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete
Il flusso termico Φ [W] è direttamente proporzionale all’area S
[m2] della superficie perpendicolare alla direzione del flusso
stesso, alla differenza di temperatura t1 – t2 [°C] delle facce della
parete ed al coefficiente di trasmissione totale K [W/m2°C]:
Φ = K·S·(t1 -t2 )
SCAMBIATORI DI CALORE
Si tratta di apparecchi nei quali avviene lo scambio di energia
termica fra due fluidi in movimento. Possono essere del tipo:
1. A MESCOLAMENTO: i fluidi (due o più) confluiscono al suo
interno e ne escono come miscela;
TRASMISSIONE DEL CALORE
Conduzione (conduction)
2. A SUPERFICIE: i due fluidi sono separati da una superficie
metallica di buona conducibilità termica.
La trasmissione del calore per conduzione stabilisce che il flusso
Infine quest’ultimi scambiatori di calore possono essere
termico Φ [W] è direttamente proporzionale all’area S [m2]
classificati in funzione della configurazione dei flussi in:
dellasuperficie perpendicolare alla direzione del flusso stesso,
1. EQUICORRENTE: i due fluidi scorrono parallelamente nella
conducibilità termica λ [W/m°C], mentre è inversamente
proporzionale alla distanza d [m] tra le due pareti attraverso le
quali si manifesta il passaggio di calore:
stessa direzione;
2. CONTROCORRENTE: i due fluidi scorrono parallelamente
ma in direzione opposta;
3. A CORRENTI INCROCIATE: i due flussi formano tra loro un
angolo retto;
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.31
alla differenza di temperatura t1 – t2 [°C] ed al coefficiente di
MANUALE di Macchine
Nello scambiatore
Il valore del salto termico medio fra i due fluidi ∆tm può essere
di
calcolato, in via approssimata, come media aritmetica delle
calore
a
superficie
(vedi
differenze di temperature (MADT):
figura, scambiatore
∆tm =
a fascio tubiero)
senza
cambiamento
di
tCE +tCU tFE +tFU
2
2
oppure come media logaritmica delle differenze di temperature
(MLDT) che, nel caso di scambiatore in controcorrente, vale:
fase, il bilancio termico va impostato nella forma (se non ci sono
∆tm =
tCE -tFU -(tCU -tFE )
ln
perdite):
flusso termico ceduto dal fluido caldo Φ1 = flusso termico
(tCE-tFU )
(tCU -tFE )
Progettare uno scambiatore di calore significa generalmente
ricevuto dal fluido freddo Φ2
calcolare la superficie di scambio termico S [m2], quindi:
e ognuno dei due flussi termici andrà scritto nella forma:
S=
GmC ·(hCE -hCU ) = GmF ·(hFU -hFE )
Φ
K·∆tm
in cui la superficie S è di solito riferita alla superficie esterna dei
in cui GmC [kg/s] rappresenta la portata massica del fluido caldo,
tubi:
hCE [J/kg] l’entalpia massica del fluido caldo entrante, hCU [J/kg]
S = nt⋅π⋅De⋅L
l’entalpia massica del fluido caldo uscente, GmF kg/s] la portata
massica del fluido freddo, hFE [J/kg] l’entalpia massica del fluido
dovent rappresenta il numero dei tubi, De [m] diametro esterno
freddo entrante e hFU [J/kg] l’entalpia massica del fluido freddo
(generalmente fra 12 e 30 mm) ed L [m] la lunghezza attiva dei
uscente. Essendo lo scambio termico isobaro:
tubi. Nello scambiatore di calore a mescolamento, il bilancio
termico va impostato nella forma (se non ci sono perdite):
GmC ·cpC ·(tCE -tCU ) = GmF ·cpF ·(tFU -tFE )
in cui cpC [J/kgK] rappresenta la capacità termica massica a
somma delle potenze entalpiche entranti = potenza entalpica
della miscela uscente
pressione costante del fluido caldo, tCE [°C] la temperatura del
fluido caldo entrante, tCU [°C] la temperatura del fluido caldo
uscente, cpF [J/kgK] la capacità termica massica a pressione
costante del fluido freddo, tFE [°C] la temperatura del fluido
freddo entrante e tFU [°C] la temperatura del fluido freddo
uscente. Poiché i due flussi termici sono eguali, si potrà anche
esprimere lo scambio termico nel seguente modo:
in cui Gm1 [kg/s] rappresenta la portata massica del fluido
entrante 1, Gm2 [kg/s] rappresenta la portata massica del fluido
entrante 2, h1 [J/kg] l’entalpia massica del fluido entrante 1, h2
massica della miscela formatosi dai due fluidi.
totale, S [m2] la superficie di scambio termico e ∆tm [°C] il salto
termico medio. La figura mostra l’andamento molto approssimato
della temperatura dei
due fluidi in uno
scambiatore
a
superficie
in
Combinazione di fluidi
acqua/acqua
acqua/salamoia
acqua/gas
acqua/olio lubrificante
gas/gas
vapor d’acqua surriscaldato/acqua
vapor d’acqua surriscaldato/gas
K (W/m2⋅K)
1 000 ÷ 2 000
500 ÷ 1 000
20 ÷ 150
100 ÷ 300
5 ÷ 35
300 ÷ 500
30 ÷ 250
Pag.32
in cui K [W/m2°C] rappresenta il coefficiente di trasmissione
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Gm1⋅h1 + Gm2⋅h2 = (Gm1 + Gm2)⋅hm
[J/kg] l’entalpia massica del fluido entrante 2 e hm [J/kg] l’entalpia
Φ1 = Φ2= Φ = K⋅S⋅∆tm
controcorrente.
cioè:
MANUALE di Macchine
equivale a 42 galloni USA, ovvero a circa 159 litri che
Combinazione di fluidi
vapor d’acqua surriscaldato/olio
combustibile
condensatore di vapore (acqua nei tubi)
condensatore di ammoniaca (acqua nei tubi)
scambiatore di calore a tubi alettati (acqua
nei tubi, aria in corrente incrociata)
K
(W/m2
⋅K)
50 ÷ 150
corrispondono grosso modo a 135 kg di greggio. Gli idrocarburi
(hydrocarbons)
sono molecole formate da atomi di idrogeno
1 000 ÷ 6 000
1 000 ÷ 6 000
monovalente H (hydrogen) e carbonio tetravalente C (carbon) legati
25 ÷ 50
legati fra loro gli atomi di carbonio, si hanno le seguenti classi di
in catene di varia forma e lunghezza. A seconda di come sono
idrocarburi: alcani (alkanes), cicloalcani (cycloalkanes), areni (arenes),
Combinazione di fluidi
aeriforme/aeriforme
aeriforme/acqua
acqua/olio
acqua/acqua
(∆
∆tm)min(°C)
30
20
10
5
alcheni (alkenes), alchini (alkynes).
La distillazione frazionata del greggio (crude oilfractionaldistillation)
La prima fase di lavorazione del greggio in raffineria è una
distillazione frazionata. Tale processo viene effettuato in un
impianto (vedi figura) che si dice “torre a piatti” (platetower). Dai
COMBUSTIONE E COMBUSTIBILI
piatti
La combustione è un insieme di reazioni chimiche di ossidazione
altezze si estraggono le
tra una sostanza combustibile, fondamentalmente formata da
varie frazioni, dalla testa
carbonio e idrogeno, e l’ossigeno contenuto nell’aria avente
esce il gas e dal fondo il
funzione di comburente. Scopo della combustione è la
residuo. Quest’ultimo è
trasformazione dell’energia chimica contenuta nel combustibilein
una miscela di idrocarburi
energia termica (calore).
pesanti,
Combustibili solidi (solidfuels)
inviandolo in una colonna
Sono i carboni fossili. Mentre sulla terraferma il carbone è
di distillazione sotto vuoto
dunque impiegato ancora oggi, sulle navi è stato sostituito, da
(vacuumdistillationcolumn)
posti
a
diverse
pertanto,
(vedi
quasi un secolo, da combustibili liquidi derivati dal petrolio
figura),viene frazionato. Si ottengono così un gasolio pesante
greggio, perché con maggiore contenuto energetico e più comodi
che si può aggiungere a quello di prima distillazione, poi una
da imbarcare e manipolare a bordo.
nafta
Combustibili gassosi (gaseousfuels)
pesante,
Sono il gas naturale (formato in prevalenza da metano CH4) e il
quindi una
gas di petrolio (formato da idrocarburi leggeri): ambedue
frazione
possono essere portati allo stato liquido e in tal caso prendono
centrale
rispettivamente il nome di Liquefied Natural Gas (LNG) e di
bituminosa,
LiquefiedPetroleum Gas (LPG, in italiano GPL, da gas di petrolio
infine
liquefatto). L’impiego del metano come combustibile per la
residuo molto più pesante di quello iniziale. La frazione
propulsione navale nacque con le metaniere (LNG – carriers);
bituminosa, tramite un estrazione con solventi (ES), viene a sua
poi, a partire dagli inizi di questo secolo, sono stati messi a punto
volta separata in aromatici pesanti e naftenoparaffine, queste
motori diesel.
ultime usate come materia prima per la produzione di olii
Combustibili liquidi (liquidfuels)
lubrificanti. Le principali frazioni prodotte da una raffineria sono: il
Provengono dal frazionamento del petrolio greggio (crude oil) e
gas di raffineria, il GPL (costituito da propano C3 e butano C4), la
sono quelli universalmente usati a bordo. Ancora oggi si fa
benzina (petrol in GB, gasoline in USA), il kerosene (kerosene), il gasolio
riferimento al barile per misurare la quantità di greggio: un barile
(gasoil)
e il residuo (residue). Il gasolio, detto anche olio medio o
Pag.33
per conduttori e costruttori del mezzo navale
un
MANUALE di Macchine
nafta leggera, viene commercializzato, per la propulsione navale,
− POTERE CALORIFICO SUPERIORE (grosscalorificvalue)Hs,
in due categorie:
comprensivo del calore di condensazione del vapore;
• Marine Gasoil (MGO): avente densità di circa 850 kg/m3 e
− POTERE CALORIFICO INFERIORE (netcalorificvalue)Hi,
impiegato nei motori diesel a quattro tempi medioveloci e
non comprensivo del calore di condensazione del vapore
veloci e nelle turbine a gas di derivazione aeronautica;
e al quale si deve fare riferimento nella pratica tecnica
• Marine Diesel Oil (MDO): avente densità di circa 870 kg/m3
perché i fumi sono sempre espulsi nell’atmosfera a
ed esso pure impiegato nei motori diesel a quattro tempi e
temperature superiori a quella di rugiada.
nelle caldaie di minore potenzialità.
Il residuo prende molti nomi commerciali, come ResidualFuelOil
(RFO), Marine FuelOil (MFO) o HeavyFuelOil (HFO), ma nel
linguaggio comune è chiamato olio combustibile o bunker
pesante, intendendosi con il termine di “bunker” il prodotto
petrolifero imbarcato.
Proprietà dei combustibili liquidi
Le principali proprietà dei combustibili liquidi sono:
Sostanza
Potere calorifico
inferiore
Benzina
Kerosene
Gasolio
Nafta pesante
GPL
Metano
Idrogeno
Hi (kJ/kg)
43 500 ÷ 44 000
42 500 ÷ 43 500
41 500 ÷ 42 500
38 500 ÷ 41 500
46 100
50 000
120 000
• DENSITA’ e PESO SPECIFICO;
• CONTENUTO DI ACQUA(water content);
• VISCOSITA’;
• TEMPERATURA DI IGNIZIONE o DI AUTOACCENSIONE
(ignition temperature):
la temperatura a cui il combustibile va
portato affinché, in presenza di una sufficiente quantità di
aria, possa entrare in combustione. Nei gasoli la facilità con
cui si verifica l’ignizione si esprime con un parametro detto
• CONTENUTO DI ZOLFO (sulphurcontent);
• CONTENUTO DI CENERI (ashcontent).
Aspetti di calcolo della combustione
L’aria è una miscela di diversi gas la cui composizione è la
seguente:
Gas
numero di cetano N.C. (C.N., cetanenumber); mentre nelle
Azoto (N2)
Ossigeno (O2)
Argon (Ar)
Biossido di carbonio (CO2)
benzine il numero di ottano N.O. (O.N.,octanenumber) esprime il
potere indetonante;
• TEMPERATURA DI INFIAMMABILITA’ (flash point): è la
% v/v
78,08
20,95
0,93
0,03
% m/m
75,5
23,15
1,29
0,04
minima temperatura alla quale il combustibile emette una
L’OSSIGENO TEORICO(stoichiometricoxygen)Ot è il numero di
quantità di vapori sufficiente a formare con l’aria una miscela
chilogrammi di ossigeno O2 teoricamente necessari per bruciare
che, in presenza di una causa di ignizione, prende fuoco;
1 kg di un dato combustibile. Nota la composizione atomica di un
Sostanza
Densità
Temperatura
di ignizione
Flash
point
(°C)
250
220
-
(°C)
< -20
40 ÷ 50
60 ÷ 70
90 ÷ 150
ρ (kg/m3)
Benzine
Keroseni
Gasoli
Residui
700 ÷ 770
770 ÷ 820
820 ÷ 900
900 ÷ 1 050
combustibile, l’ossigeno teorico si calcola nel seguente modo:
Ot = 2,67⋅C% + 8⋅H% + S% - O%
dove le concentrazioni percentuali in massa vanno ovviamente
espresse come numeri decimali. L’ARIA TEORICA(stoichiometric
air)At
è il numero di chilogrammi di aria teoricamente necessari
per bruciare 1 kg di un dato combustibile e si calcola:
• POTERE CALORIFICO (calorificvalue): indicato con H e
misurato in [kJ/kg] o in [MJ/kg], esprime il calore che si
At =
Ot
0,23
sviluppa dalla combustione completa di 1 kg di combustibile
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.34
liquido o solido. Si distingue il:
MANUALE di Macchine
Combustibile
MFO
Gasoli
Benzine
Diesel a due tempi lenti
At
14
14,5
15
0,16 ÷ 0,17
7,0 ÷ 7,5
Il consumo orario di aria (oportata di aria necessaria) Ga è
logicamente il prodotto del consumo orario di combustibile Gc per
Una combustione tecnica si effettua impiegando sempre un certo
l’aria reale Ar:
Ga = Gc⋅Ar
quantitativo di ARIA IN ECCESSO Ae, ovvero con un’ARIA
REALE (actualcombustion air)Arsuperiore a quella teorica:
Nei motori diesel e nelle turbine a gas il calcolo si può fare anche
Ae
Ar = At +Ae =At · 1+
=At ·(1+e)
At
dalla potenza effettiva Pe[kW] e dal consumo specifico di aria Ca
[kg/kWh], con quest’ultimo fornito dal costruttore o assunto con
Il rapporto “e” fra l’aria in eccesso e quella teorica prende il nome
criterio:
di ECCESSO D’ARIA (excess air).
Apparecchiatura
Caldaie a nafta
Motori diesel
Turbine a gas
Il
CONSUMO
SPECIFICO
fuelconsumption, SFC)Cc
Ga = Ca⋅Pe
e
0,05 ÷ 0,20
1,00 ÷ 2,00
2,50 ÷ 3,50
DI
Infine la portata di fumi prodotti Gf[kg/h] è la somma della portata
di combustibile Gc [kg/h] e della portata di aria comburente
richiesta dalla combustioneGa [kg/h]:
COMBUSTIBILE(specific
Gf = Gc + Ga
[kg/kWh] è dato dal rapporto tra la portata
di combustibile bruciato (o consumo orario di combustibile) Gc
[kg/h] e la potenza meccanica effettiva Pe [kW] del motore:
Cc =
Consumi di combustibile e velocità della nave
Se una nave procede a una data velocità w [m/s] rispetto al
mare, si oppone al moto una forza resistente FR [N] dovuta
Gc
Pe
soprattutto ai vortici creati dallo scafo che penetra nell’acqua e
A bordo di una nave il consumo specifico di combustibile viene
calcolato periodicamente onde verificare il buon funzionamento
dell’apparato motore. Se si assume il consumo specifico di
combustibile Cc sapendo di quale tipo di motore si tratta e che
potenza sviluppa Pe, il consumo orario di combustibile Gc vale:
all’attrito di questa sull’opera viva; tale forza dipende dalla
densità e viscosità dell’acqua, dalla sezione maestra della nave,
dalla sua forma, dalla presenza di appendici, dall’immersione,
dall’assetto, dallo stato di pulizia della carena e soprattutto dal
quadrato della velocità di navigazione w rispetto al mare.
Riunendo in un unico fattore k [Ns2/m2] tutti i parametri che si
Gc = Cc⋅Pe
possono ritenere costanti per una stessa nave, risulta
Il CONSUMO SPECIFICO DI ARIA (specific air consumption, SAC)Ca
sperimentalmente:
[kg/kWh] è il rapporto tra il consumo orario di aria (oportata di
FR = k⋅w2
aria necessaria) Ga [kg/h] e la potenza meccanica effettiva Pe
Risulta però più comodo ragionare in termini di potenze e risulta
[kW] del motore termico a combustione:
che la potenza resistente di attrito PR [W] è data dalla seguente
Ga
Pe
espressione:
Valori medi di Cc e Ca per i motori di propulsione navale sono:
Apparato di propulsione
Turbine a vapore anni ‘70
Turbine a gas navali
Diesel a quattro tempi veloci
Diesel a quattro tempi semiveloci
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Cc
(kg/kWh)
0,28 ÷ 0,30
0,21 ÷ 0,25
0,20 ÷ 0,24
0,17 ÷ 0,19
PR = FR⋅w = k⋅w3
Ca
(kg/kWh)
13 ÷ 15
Affinché la nave avanzi a tale velocità, è necessario che un
6,5 ÷ 7,0
PP = PR = k⋅w3
propulsore, azionato da un motore presente a bordo, imprima
allo scafo una potenza propulsiva PP uguale e opposta a PR:
Pag.35
Ca =
MANUALE di Macchine
Poiché la potenza propulsiva di un apparato di propulsione è
proporzionale al consumo di combustibile Gc, anche questo varia
a sua volta con il cubo della velocità di navigazione w e,
indicando con k’ la costante di proporzionalità, potremo scrivere:
Gc = k’⋅w3
Per passare dal consumo di combustibile in kg/miglio a quello in
kg/h basta osservare che:
kg kg miglia
=
·
h miglio h
Esistono curve (vedi figura) ricavate sperimentalmente durante le
prove in mare e che riportano i consumi di combustibile Gc(in
kg/h oppure in kg/miglio) in funzione della velocità w (in nodi,
cioè in miglia/h). L’uso di tali curve consente al Direttore di
Macchina di calcolare la quantità di combustibile che deve
essere imbarcato prima che la nave parta per un viaggio; dopo
aver saputo dal Comandante la distanza che dovrà essere
coperta e la prevista velocità di navigazione, il Direttore di
Macchina, valutando le preesistenti giacenze di combustibile e
tenendo conto di una opportuna maggiorazione per motivi di
cautela, è in grado di calcolare il suddetto quantitativo di
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.36
combustibile.

Open day 2015 - Marina Militare

Titolo del progetto: “ STERILIZZATORE ULTRA-FLASH

Leggi la Circolare Esplicativa

Brochure LEGA - Liceo Linguistico Ninni Cassarà di Palermo

Scarica PDF Factsheet

Scheda Tecnica

Guardia di Finanza REPARTO TECNICO LOGISTICO

3.07 Equilibrio Elettrostatico Tra Due Conduttori

POSTIMPRESSIONISTI

ImpresaSicura: la sicurezza nella cantieristica navale