Fisica Tecnica - Cicli a Gas

Cicli a gas

Ciclo Brayton-Joule

Negli impianti motore a gas, il fluido evolvente è sempre in fase gassosa. Noi lo tratteremo sempre come un gas ideale. Il ciclo di riferimento per gli impianti motore a gas è il ciclo Brayton-Joule, molto simile termodinamicamente al ciclo Rankine, in quanto anche qui abbiamo 2 isobare collegate da 2 isentropiche. La differenza sostanziale risiede nel fatto che il riscaldamento interno a un ciclo a gas non può avvenire se non corrisponde a un tratto isotermo (come invece accade nel ciclo Rankine all'interno della curva a campana). Naturalmente il ciclo Brayton-Joule si discosta dal ciclo di Carnot in quanto non abbiamo scambi termici isoterma.

Nella camera di combustione, l'aria compressa prelevata dal compressore incontra il combustibile dando vita alla combustione. Così facendo, il fluido si riscalda fino alle condizioni 3. Tale trasformazione 2-3 può considerarsi isobara. La portata massica circolante non è sempre la stessa in quanto la portata in aria aspirata dal compressore è diversa dalla portata uscente del combustibile immesso in camera di combustione. Dichiariamo la portata più di combustibile.

Inoltre, per rappresentare graficamente il ciclo a gas nel diagramma termodinamico T-S, possiamo metterci nell'ipotesi semplificativa di considerare l'area standard come il solo fluido esolvente del ciclo a gas. In uscita della camera di combustione fino allo scarico della turbina non abbiamo soltanto aria ma abbiamo anche il gas della combustione. Però noi non sappiamo né in diagramma termodinamico in cui si può rappresentare da una parte il comportamento dell'aria e dell'altra il comportamento di una miscela di gas combusti.

Il ciclo è aperto per cui consente di ottenere alle utenze una densità di potenza (potenza netta rapportata al peso dell'impianto) molto elevata. La camera di combustione rende disponibile un'enormissima potenza termica, facendo riferimento alla compattezza della turbina e del compressore, ciò determina una densità di potenza molto elevata ovvero una potenza netta (potenza erogata dalla turbina meno quella richiesta dal compressore) molto elevata a fronte di un impianto estremamente compatto (a differenza dell'impianto a vapore che è un impianto di grandi dimensioni proprio per la presenza dei due scambiatori di calore: la caldaia e il condensatore).

Osservando lo schema d'impianto notiamo che il compressore e la turbina condividono lo stesso albero. Nell'impianto Turbogas il compressore richiede una quota molto consistente del lavoro reso disponibile all'albero motore della turbina. Quando il senso collega compressore e turbina su un unico albero. A differenza dell'impianto motore a vapore dove turbina e il compressore che opera le compressioni, cioè la pompa, sono disgiunti poiché la turbina eroga una potenza molto più elevata della potenza richiesta della pompa che è presso trascurabile. Quindi non avrebbe senso il collegamento meccanico tra queste 2 macchine nel ciclo Rankine.

Trasformazioni nel ciclo Brayton-Joule

• Trasformazione 1-2: Compressione isentropica (Compressore)

  Bilancio del 1° principio: \( \dot{L}_{12} = -(h_2-h_1) \left[ \frac{kJ}{kg} \right] (0) \)

• Trasformazione 3-4: Espansione isentropica (Turbina)

  Bilancio del 1° principio: \( \dot{L}_{34} = h_3-h_4 \left[ \frac{kJ}{kg} \right] (>0) \)

• Trasformazione 4-1 (virtuale): Isobara

  Bilancio del 1° principio: \( \dot{Q}_{41} = -\dot{m}(h_1-h_4) \left[ \frac{kJ}{kg} \right]