Cicxli(Rankine,Otto,Diesel)

11/11/2024

Ciclo di Rankine base La macchina a ciclo di Rankine nasce con la rivoluzione industriale e la

famosa macchina a vapore, che serviva per la trazione ferroviaria è

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una macchina costituita da trasformazioni termodinamiche che sono

eseguite da un fluido, che nel caso di questo ciclo è l’acqua, ma esiste

un ambiente esterno con cui queste trasformazioni dialogano, che è

l’aria o l’acqua, che accoglie il calore che la macchina cede.

La prima trasformazione AB è una compressione in fase liquida.

Abbiamo poi la prima importante fase, quella di acquisizione di calore

ad alta temperatura: la trasformazione BCD è una trasformazione

isobara in cui si acquisisce calore ad alta temperatura, ed è divisa in due

parti perché nella prima abbiamo una isobara in fase liquida, mentre

nella seconda diventa anche un’isoterma perché stiamo dentro la

campana e c’è il cambiamento di fase da liquido a vapore, e si

acquisisce calore che fa aumentare il titolo di vapore.

La produzione di lavoro, che avviene lungo l’espansione adiabatica DE, dove si cede lavoro e si hanno condizioni

di tutto vapore e si finisce nelle condizioni in cui si presenta un po’ di liquido (da titolo 1 a circa 0.9). Infine, per il

2° principio della termodinamica dobbiamo cedere calore a bassa temperatura, quindi un raffreddamento di tipo

isobaro, che essendo all’interno della campana diventa anche un raffreddamento isotermo.

La prima trasformazione AB è la compressione adiabatica in fase

liquida. BC + CD è una trasformazione isobara di riscaldamento,

tanto che nella prima parte (BC) la temperatura aumenta da circa 30-

40° a 200°C e oltre, quindi un bel riscaldamento che si attua

attraverso un elemento esterno; nella seconda parte è sempre di

riscaldamento, ma cambia il titolo invece che la temperatura

Successivamente abbiamo l’espansione adiabatica e vediamo che

queste adiabatiche AB e DE sono trasformazioni reversibili per come

le stiamo disegnando nel piano entropico, e quindi anche

isoentropiche. Infine, abbiamo la trasformazione in cui, per il 2°

principio della termodinamica, si chiude il ciclo cedendo calore

all’ambente esterno stessa descrizione del ciclo di Rankine, ma sul piano entropico.

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Schema a blocchi: si inizia dal punto A e la prima fase è quella di compressione, e

il liquido viene compresso da una pompa; vediamo il simbolo internazionale della

pompa (triangolo nero). Siccome c’è un riscaldamento dobbiamo usare una

caldaia, ma in questa slide si può incorrere in un errore, perché da B si arriva a C e

a D, dove c’è un riscaldamento che prevede che ci sia uno scambiatore di calore.

Arrivati nel punto D abbiamo l’organo di espansione, che nel ciclo di Rankine base

è un espansore, un cilindro-pistone che si espande. In E abbiamo un altro scambio

termico che serve per raffreddare.

Considerazioni:

- Nel caso di Rankine, l’evaporatore è sempre uno scambiatore in cui ci sono due fluidi acqua-acqua, ossia

acqua che segue il ciclo di Rankine e acqua che viene riscaldata dalla caldaia, invece nel condensatore

possiamo scambiare calore con acqua, prima fredda e che poi si riscalda, ma anche aria. Nel

condensatore si usa aria e acqua, ma per alcuni impianti non proprio legati a Rankine non si usa l’acqua

a perdere di un fiume, un torrente o del mare, ma acqua di riciclo, sempre per raffreddare.

- Il lavoro prodotto è uguale all’area del ciclo, quindi per creare più lavoro devo aumentare l’area del ciclo,

facendo salire T e scendere T = una delle evoluzioni termodinamiche del ciclo di Rankine.

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Carnot è sempre più alto come rendimento ma si vede che, a parte una fase iniziale

dove i rendimenti sono molto simili, da un certo valore di temperatura T in poi il ciclo

1

di Carnot aumenta moltissimo rispetto al rendimento del ciclo di Rankine, che

abbiamo visto dal grafico lavora bene attorno alle temperature di 200-250°C: infatti,

vediamo che verso i 300K c’è un’inflessione del rendimento dovuta alla capacità di

descrivere il ciclo di Rankine all’interno della campana dei vapor saturi, perché se

lavoriamo l’acqua a temperature troppo alte non c’è cambiamento di fase, abbiamo

sempre vapori e non si può fare un ciclo di Rankine ottimizzato.

Ciclo di HIRN (ciclo di Rankine con surriscaldamento)

Facciamo un’evoluzione del ciclo di Rankine, in cui la prima cosa che si

è pensato di fare è sostituire l’espansore di tipo alternativo con uno

rotativo (turbina) l’evoluzione porta al ciclo di HIRN, ossia un ciclo di

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Rankine con surriscaldamento; è l’unico ciclo che ha un nome, oltre a

Rankine, mentre gli altri hanno nomi tecnici. Il suo obiettivo è spostare

il più possibile la fine dell’espansione nella zona dei vapori, quindi

tendere a fare tuta l’espansione nella zona dei vapori a destra,

surriscaldando, proseguendo nel punto E.

Per far sì che questo avvenga è necessario prendere una sorgente

esterna con temperatura superiore al punto E lo schema a blocchi

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rimane lo stesso, ma il sistema che genera acqua calda ha una temperatura maggiore rispetto al ciclo di Rankine

base, perché deve arrivare a riscaldare la massa d’acqua ad una temperatura maggiore di 400°C.

Rigenerazione del calore

È una tecnica che viene usata anche per altre macchine termiche:

- nella parte sinistra del ciclo, da B a D, abbiamo necessità di

acquisire calore perché c’è un riscaldamento: c’è una caldaia

esterna che cede calore al sistema, che si riscalda (BC-CD)

- nella parte destra, lungo la trasformazione DE, produciamo

lavoro ù ma siccome la temperatura diminuisce stiamo anche

raffreddando automaticamente, ossia cedendo calore

all’ambiente esterno nel momento in cui espandiamo. Se io

questo calore che sto cedendo lo riutilizzo, posso apportare

un’efficienza e un’ottimizzazione energetica macchina.

Altra evoluzione, è una macchina con due fluidi, un ciclo percorso da mercurio

e uno da acqua: inizialmente viene percorso dal mercurio (in alto nella slide),

che ha condizioni di vaporizzazione diverse dall’acqua, con cambiamento di

fase a circa 700°C; quando facciamo il raffreddamento, che nel caso del

mercurio è costituito dalla trasformazione RM, il calore lo usiamo per far

compiere il ciclo dell’acqua invece che cederlo all’ambiente esterno. L’area del

ciclo aumenta moltissimo, e anche il rendimento, e recupero tutto il calore che

cedo con il ciclo al mercurio per compiere quello dell’acqua.

Ciclo di Otto