Termodinamica - cicli termodinamici

Cicli Termodinamici

1. Considerazioni generali
2. Ciclo di Rankine
3. Ciclo delle macchine frigorifere a compressione di vapore saturo
4. Pompe di calore
5. Le macchine frigorifere ad assorbimento
6. Motori endotermici
7. Il ciclo Otto e il 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 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 ai fenomeni di irreversibilità delle trasformazioni reali.

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

Gli inversi assorbono una certa quantità di calore a bassa temperatura trasferendola a un serbatoio a temperatura più alta e spesso di energia meccanica o termica. Le macchine che usano questi cicli sono dette 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.

Rankine

• EA - Pompaggio: l'acqua entra nella pompa come liquido saturo ed è compressa fino a p₁. Viene scambiato lavoro negativo L (h_a - h_e).
• AB - Riscaldamento: il liquido viene riscaldato a pressione costante fino alla temperatura di saturazione corrispondente a p₁.
• BC - Evaporazione: l'acqua viene vaporizzata a pressione e temperatura costanti. Il fluido riceve calore positivo Q₁ (h_c - h_b).
• CD - Espansione: il fluido espande nella turbina e fornisce all'esterno lavoro positivo L (h_c - h_b).
• DE - Condensazione: avviene a pressione e temperatura costanti in uno scambiatore di calore (condensatore) (Q₂ = h_e - h_b).

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

Pompe di calore

Il fine ultimo di questa macchina è quello di elevare il livello di energia termica disponibile o dotata a temperatura (in qualche modo ambiente) rendendola utilizzabile a temperatura superiore.

Da un punto di vista termodinamico non vi sono differenze nel ciclo frigorifero e quello di una pompa cambia solo il campo di temperatura.

Cerini sulle pompe di calore manicchi prelevano energia termica a temperatura ambiente Ta per fornirla a temperatura maggiore T1 per il riscaldamento invernale di un edificio.

Il coefficiente utile massimo teorico, secondo un ciclo di Carnot:

COPi = E / _T1 = 1 / (T1 - Ta) = 1 / (1 - Ta/T1)

• Il valore del COP può essere definito solo come media temporale poiché Ta varia da luogo a luogo e con il tempo.
• COP cresce col rapporto Ta/T1. COP cresce molto rapidamente quando la dT si avvicina a zero.

Il vantaggio, offerto dalle pompe di calore è quello di poter facilmente cambiare il suo funzionamento a macchina refrigeratrice (per l’estate); si scambia la funzione dei due scambiatori (I e E) e si inverte la circolazione del fluido lavorante (con valvola a 4 vie).

La temperatura di funzionamento _Tf^TG del G è la Tminima.

Facendo riferimento a G scriviamo il bilancio di massa dei flussi entranti ed uscenti:

g_f = g_s + g_r

BILANCIO PORTATE

X_Ag_s = X_Cg_C-g_s + g_r

BILANCIO REFRIGERANTE

g_s = g_s - g_r

X_Ag_s - X_Cg_s - X_Cg_r + g_r

X_Ag_s - X_Cg_s = g_r (1 - X_C)

BILANCIO SOLUZIONE

X_A(g_s) - (X_C-X_E) = g_r (1 - X_C)

g_s (X_A-X_C) = g_r (1 - X_C)

g_s/_gr = (1 - X_C) / (X_A-X_E)

Affinché la concentrazione in A sia uguale a quella in G X_A > X_C → T_G > T_GMIN

La Tmin andrebbe bene se X_A = X_C → se fossero uguali, qf = ∞

ma q deve essere un numero finito

Effetto utile refrigerante ("rendimento")

ξ = Q_e / (Q_e + L_ps)

Q_e = r(T_e) → calore di vaporizzazione alla T_e: è pari al calore asportato al "sistema che si vuole refrigerare"

Q_g = S (C_s T_G - T_e) + v(T_e) + c_psM (T_G - T_e)

calore di soluzione (sensibile)

calore latente di vaporizzazione

calore necessario a portare la soluzione g_s da T_A a T_G

L_ps = m_v v (P_G - P_A) → lavoro speso dalla pompa per il trasferimento della soluzione

- Legame tra x e φ

x = 0,63

φ = _Pv/_Ps

– Pt = Pa + Pv

Pa = Pt - Pv

φ = _Pv/_Ps

x = 0,65

Pa = _Pt – φPs

x = 0,63 φPs

x = 0,63 _φPs/_Pa

x = 0,63 _φPs/_{Pt – φPs}

x = 0,63 _φPs/_Pt

4) TEMPERATURA DI RUGIADA

AB: liquido saturo

BC: vapore saturo secco

Ps = f(T)

φ = _P/_Ps

Se, a pressione costante, raffreddo il vapore d'acqua da B a C, cioè fino alla temperatura cui corrisponde una tensione di vapor saturo uguale alla pressione del vapore nell'aria umida, l'umidità relativa è φ = 1.

Tale temperatura è la temperatura di rugiada oltre si continua a raffreddare il vapore inizia a condensare.

Psicrometro

Strumento usato per la misurazione dell'umidità nell'aria.

Si compone di due termometri a mercurio, uno dei quali ha il bulbo

inumidito da una garza.

Avendo quest'ultimo un'umidità relativa più alta (vicina al 100%), avrà

anche una temperatura più bassa rispetto al termometro asciutto.

Dalla differenza tra le 2 temperature e tramite la tabella psicrometrica, è

possibile risalire all'umidità relativa e alla temperatura di rugiada.

B = Tenale all’umidità reale

A = Tenale umidità 100%