Fisica Tecnica - Cicli a Vapore

Cicli a vapore

Impianti motori

Gli impianti motori sono impianti che operano secondo un ciclo diritto e consentono in maniera continua di convertire calore (ovvero l'energia termica netta che è la differenza tra il calore scambiato con la sorgente e il calore scambiato con il pozzo) in lavoro (ovvero l'energia meccanica netta, cioè la differenza tra quella ottenuta durante un'espansione e quella ottenuta durante una compressione).

Impianti motori a vapore

Il fluido evolvente durante il ciclo termodinamico si trova sempre in un intorno della regione del campo rotario, cioè lo stato della sostanza si trova sempre in un intorno delle curve di campana.

Impianti motori a gas

Il fluido evolvente si trova sempre in fase gassosa e non si avvicina mai alla regione del vapore saturo.

Ipotesi semplificative per lo studio degli impianti motori

• Regime stazionario
• Flusso monodimensionale - Ogni punto del ciclo rappresentato nel diagramma PV o TS rappresenta una certa sezione trasversale dell'impianto
• Ciclo interamente reversibile - Possiamo trascurare delle irreversibilità esterne dovute a uno scambio di calore causato da una Δ di temperatura finita. Tutte le trasformazioni...

Ciclo Rankine

Consideriamo un ciclo termodinamico che abbia le prestazioni migliori possibili, ovvero un ciclo ideale: il ciclo di Carnot. Poiché ad esso compete il massimo rendimento ideale, costituisce un riferimento per tutti i cicli termodinamici. Sappiamo però che il ciclo di Carnot non è un ciclo realizzabile in quanto non possiamo disporre realmente di due serbatoi termici a temperatura costante. L'obiettivo è quello di realizzare dei cicli che si avvicinano al ciclo di Carnot (come prestazioni) ma che tengono conto di certe limitazioni:

• Gli scambi termici fra un serbatoio e l'oggetto non possono avvenire in maniera istantanea.

Il ciclo diretto a vapore, ossia il ciclo Rankine, si rifà al ciclo di Carnot. Nel tratto 1-2 si ha un riscaldamento; si pone il sistema in contatto termico con la sorgente facendo rappresentare un momento di termobica il fluido conduttore fino a portarlo nelle condizioni di saturazione sulla curva limite superiore (punto 3). Nel tratto 3-4 lo si fa espandere in turbina ottenendo così lavoro positivo di ciclo. Infine, lo si fa condensare fino a ritornare al punto 1.

Il punto 4 rappresenta una condizione di miscela liquido-vapore L+V a titolo molto basso. Si dovrebbe comprimere tale miscela fino a portarla nelle condizioni di liquido saturo. Il problema è che non siamo in grado di realizzare un componente tecnologico che comprima una simile miscela perché le due fasi tendono a separarsi e una volta separata la fase liquida occuperebbe estesi spazi all’interno del sistema distruggendo la macchina. Perciò, anziché condensare fino al punto 4 solo perché vogliamo racchiudere il ciclo di Carnot, possiamo condensare direttamente fino ad arrivare al punto 1, dove della miscela L+V rimane solo la fase liquida, ovvero avremo solo liquido saturo. Dal punto 1, ovvero il sol-tamo il fluido attraverso una pompa.

Il fluido conduttore normalmente trattato nel ciclo Rankine è l'acqua (Tc = 374°C); altrimenti, si possono utilizzare fluidi organici che operano a temperature più basse rispetto a quelle alle quali opera l'acqua.

Il ciclo Rankine però ha un problema: il problema del titolo di fine espansione (tratto 3-4). Nel ciclo Rankine la turbina, avendo un titolo di fine espansione molto basso, è esposta a nuovi problemi. Più basso è il titolo, quindi è la concentrazione della fase liquida nella miscela L+V in uscita della turbina, più la fase liquida aumenta. Avvengono processi di aggregazione delle microgoccioline ("coalescenza dalla microaglomerazione"), ovvero si formano gocce sempre più grandi che impattano le pale della turbina compromettendo il profilo delle turbine. Non possiamo avere un titolo inferiore a 0,9 (0,87 per uso più). Per non andare incontro a questo problema, si deve necessariamente aumentare il titolo. Dopo essere arrivati al punto 3, il vapore saturo secco possiamo surriscaldarlo per portarlo a una temperatura superiore. Così facendo, l’espansione 3-4 terminerà in un punto 4 molto più vicino alla curva limite superiore e dunque il titolo di fine espansione sarà superiore a 0,9. Abbiamo risolto il problema con il surriscaldamento.