Termodinamica - cicli termodinamici

CICLI TERMODINAMICI

1. Considerazioni generali
2. Ciclo di Rankine
3. Ciclo dei macchini frigorifere a compressione di vapore saturo
4. Pompe di calore
5. Le macchine frigorifere ad assorbimento
6. Motori endotermici
7. Il ciclo Otto ed ciclo Diesel
8. Il ciclo delle turbine a gas

1) CONSIDERAZIONI GENERALI

La termodinamica applicata analizza i sistemi di conversione capaci di trasformare con continuità energia termica in lavoro meccanico.

Si fornisce calore a un fluido motore che subirá una serie di trasformazioni percorrendo un ciclo termodinamico.

Accanto alla produzione di lavoro meccanico si deve tener conto della restituzione di una certa quantità di calore ad un serbatoio freddo e delle perdite di energia conseguenti a fenomeni di irreversibilitá delle trasformazioni reali.

Lo studio avviene prendendo come riferimento i cicli ideali dai quali è possibile ottenere informazioni sulla situazione limite nelle trasformazioni reali e quindi calcolare i valori limite di certi grandezze.

Gli impianti motori termici sono detti a gas se nel fluido motore è sempre in fase gassosa oppure a vapore se il fluido opera nel campo di vapore.

Le macchine che usano questi cicli sono detti macchine frigorifere o pompe di calore.

CICLI TERMODINAMICI

1. Considerazioni generali
2. Ciclo di Rankine
3. Ciclo del macchine frigorifere a compressione di vapore saturo
4. Pompe di calore
5. Le macchine frigorifere ad assorbimento
6. Motori endotermici
7. Il ciclo Otto ed ciclo Diesel
8. Il ciclo della turbina a gas

1. CONSIDERAZIONI GENERALI

La termodinamica applicata analizza i sistemi di conversione capaci di trasformare con continuità energia termica in lavoro meccanico. Si fornisce calore a un fluido motore che subirà una serie di trasformazioni percorrendo un ciclo termodinamico.Accanto alla produzione di lavoro meccanico si deve tener conto della restituzione di una certa quantità di calore ad un serbatoio freddo e delle perdite di energia conseguenti al fenomeno di irreversibilità delle trasformazioni reali.Lo studio avviene prendendo come riferimento i cicli ideali dai quali è possibile ottenere informazioni sulla situazione limite nelle trasformazioni reali e quindi calcolare i valori limite di certe grandezze.Gli impianti motori termici sono detti a gas se il fluido motore è sempre in fase gassosa oppure a vapore se il fluido opera nel campo di vapore. Tali inversi assorbono una certa quantità di calore a bassa temperatura trasferendola a un serbatoio a temperatura più alta a spese di energia meccanica o termica. Le macchine che usano questi cicli sono detti macchine frigorifere o pompe di calore.

Ciclo di Rankine

Il ciclo di Carnot è il più conveniente in termini di rendimento, e questo dipende dal salto di temperatura. Allora anche un ciclo reale avrà un rendimento più alto aumentando il salto di temperatura.

Carnot

Nella realtà il ciclo più simile a quello di Carnot è il ciclo di Rankine. Usiamo come fluido di lavoro l’acqua.

• S₁ e S₂ del ciclo di Carnot diventano qui evaporatore e condensatore perché non possono fare trasformazioni isoterme a P costante, se non durante un passaggio di stato (gli scambiatori di calore lavorano a P costante).

EA - Pompage: L'acqua entra nella pompa come liquido saturo ed è compressa fino a P₁. Viene scambiato lavoro negativo L₁ (h_y - h_x).

AB - Riscaldamento: Il liquido viene riscaldato a pressione costante fino alla temperatura di saturazione corrispondente a P₁.

BC - Vaporizzazione: L'acqua viene vaporizzata a pressione e temperatura costanti. Il fluido riceve calore positivo Q₁ (h_c - h_a).

CD - Espansione: Il fluido si espande nella turbina e fornisce all'esterno lavoro positivo L₂ (h_e - h_x).

DE - Condensazione: Avviene a pressione e temperatura costanti in uno scambiatore di calore (condensatore) (Q₂: h_c = h_b).

Infine la pompa riporta il liquido saturo alla pressione di esercizio della caldaia e il ciclo riprende il suo percorso.

- Ciclo di Hirn (ciclo di Rankine a vapore surriscaldato)

Per migliorare il rendimento conviene aumentare la temperatura di immissione del vapore nella turbina.

Modifichiamo il ciclo di Rankine aggiungendo in surriscaldatore.

Nella caldaia e nel condensatore avvengono passaggi di fase a pressione costante e i dispositivi ricevono o cedono calore.

Nella turbina e nella pompa si effettuano o subiscono lavori e l'entropia non varia, quindi sono trasformazioni isentropiche.

Dall'equazione entalpica di Bernoulli, trascurando en. cin. e pot.:

Q₁ = h_c - h_a (CALDAIA)

-L_T