1.2.1.6 Cicli del vapore

IL CICLO ISOBARO-ISOCORO
Seguiamo adesso con un’animazione un ciclo molto elementare per poi affrontare il ciclo più utilizzato col vapore ovvero il ciclo Rankine. Il sistema liquido-vapore permette la realizzazione di diversi cicli di lavoro e ognuno di essi presenta punti di forza e punti di debolezza. In questa lezione viene presentato e analizzato quello isobaro-isocoro la cui peculiarità è quella di avere il primato del maggior lavoro utile associato però ad un modesto rendimento. Nell'animazione è schematizzato un motore a vapore che funziona con il ciclo isobaro-isocoro. Sulla destra ci sono il condensatore, la pompa e la caldaia. Sulla sinistra c'è il motore di cui sono stati rappresentati il cilindro, il pistone e due valvole pilotate. La pompa trasferisce il liquido dal condensatore alla caldaia. In caldaia viene fornito il calore per la vaporizzazione ed eventualmente per il surriscaldamento del vapore. La pressione in caldaia è determinata dalla temperatura del liquido. Quando la valvola superiore (valvola di immissione) è aperta, la valvola inferiore (valvola di scarico) è chiusa e il vapore in pressione entra nel motore e spinge il pistone verso sinistra. La pressione in caldaia durante la fase di espansione resta costante se viene fornito calore sufficiente per generare la quantità di vapore che entra nel motore.

Al punto morto superiore (pistone completamente a sinistra), la valvola di immissione si chiude e poi si apre la valvola di scarico. La pressione si porta al valore di quella presente nel radiatore freddo che a sua volta è determinata dalla temperatura della parete più fredda del condensatore. Se la dissipazione termica è sufficiente a mantenere costante la temperatura della parete più fredda, la pressione all'interno del condensatore non varia. Il pistone si muove verso destra e scarica il vapore. All'interno del condensatore il vapore cambia di fase e diventa liquido. Al punto morto inferiore (pistone completamente a destra), la valvola di scarico si chiude, poi si apre la valvola di immissione e il vapore ad alta pressione inizia di nuovo ad entrare in camera. Il ciclo si completa con il pompaggio in caldaia del liquido che si forma nel condensatore. Nello schema animato proposto si individuano quattro elementi distinti ciascuno con la propria funzione:
     1.la caldaia è lo scambiatore caldo
   2.il motore è la parte attiva che converte l'energia potenziale del vapore generato in caldaia in lavoro
     3.il condensatore è lo scambiatore freddo
   4.la pompa è la parte passiva che ripristina il liquido in caldaia consumando lavoro per incrementare l'energia potenziale del liquido

     Per quanto riguarda il lavoro utile prodotto dal motore, il calcolo si limita a valutare l'area del ciclo mostrato nell'animazione. Trattandosi di un rettangolo la cui base è la variazione di volume e la cui altezza è la differenza di pressione esistente fra la caldaia e il condensatore il calcolo da effettuare è il seguente
     Lmotore = ( Pcaldaia - Pcondensatore ) * ( Vmassimo - Vminimo )

dove

L
motore è il lavoro prodotto per ciclo espresso in J
      Pcaldaia è la pressione in caldaia espressa in Pa
      Pcondensatore è la pressione nel condensatore espressa in Pa
      Vmassimo è il volume massimo del motore espresso in m3
      Vminimo è il volume minimo del motore espresso in m3
Si noti che in figura è stato rappresentato il caso molto particolare (e in pratica mai realizzabile) in cui V
minimo è nullo.

     Per quanto riguarda il lavoro consumato per il pompaggio il calcolo è analogo, ma il volume con cui moltiplicare la differenza di pressione è quello del liquido pompato

L
pompa = ( Pcaldaia - Pcondensatore ) * Vliquido

dove

L
pompa è il lavoro utilizzato per ciclo espresso in J
      Pcaldaia è la pressione in caldaia espressa in Pa
      Pcondensatore è la pressione nel condensatore espressa in Pa
      Vliquido è il volume del liquido pompato espresso in m3

       PRIMO STADIO
Riscaldamento del liquido in caldaia dalla temperatura di condensazione alla temperatura di ebollizione

Il processo avviene a pressione costante e il calore scambiato può essere determinato applicando l'equazione semplificata

Q
1 = Cpmedio * n * ( Tvaporizzazione - Tcondensazione )

dove

Q
1 è il calore scambiato espresso in J
Cp
medio è il calore specifico medio a pressione costante nell'intervallo di temperatura compreso fra Tcondensazione e Tvaporizzazione espresso in J mol-1 K-1
n è la quantità di liquido espressa in moli
T
vaporizzazione è la temperatura di vaporizzazione espressa in K
T
condensazione è la temperatura di condensazione espressa in K

       SECONDO STADIO
Vaporizzazione alla temperatura di vaporizzazione

Questo è un processo di tipo isotermo e contemporaneamente anche di tipo isobaro.
Il calore fornito per la transizione di fase liquido-vapore è valutabile come segue

Q
2 = n * Δhvap * (Tvaporizzazione)

dove

Q
2 è il calore scambiato nel processo espresso in J
n è la quantità vaporizzata espressa in moli
ΔH
vap(Tvaporizzazione) è l'entalpia molare di vaporizzazione alla temperatura di vaporizzazione espressa in J mol-1

       TERZO STADIO (OPZIONALE)
Surriscaldamento del vapore in caldaia dalla temperatura di vaporizzazione alla temperatura di surriscaldamento

Il processo, opzionale nel senso che può esserci o non esserci, avviene a pressione costante e  il calore scambiato può essere determinato applicando l'equazione semplificata

Q
3 = Cpmedio * n * ( Tsurriscaldamento - Tvaporizzazione )

dove

Q
3 è il calore scambiato espresso in J
Cp
medio è il calore specifico medio a pressione costante nell'intervallo di temperatura compreso fra Tvaporizzazione e Tsurriscaldamento espresso in J mol-1 K-1
n è la quantità di vapore espressa in moli
T
surriscaldamento è la temperatura di surriscaldamento espressa in K
T
vaporizzazione è la temperatura di vaporizzazione espressa in K

IL CICLO RANKINE DEL VAPORE SATURO
      Adesso ripetiamo lo stesso ciclo utilizzando però un altro ciclo quasi simile a quello Rankine.
      Quando nel ciclo isobaro-isocoro del vapore l'espansione isobara ad alta pressione viene seguita da un'espansione adiabatica che fa abbassare la pressione fino al valore presente nel condensatore si riesce a ricavare altro lavoro di volume e il rendimento aumenta.
Si segnala che un ciclo così definito non corrisponde esattamente al ciclo Rankine, ma verrà comunque identificato con questo nome per l'estrema somiglianza con esso. L'importanza del ciclo Rankine deriva dal fatto che esso stabilisce il massimo rendimento termomeccanico per i cicli realizzabili con un sistema liquido-vapore.

Nell'animazione proposta di seguito è schematizzato un motore a vapore che funziona con il ciclo Rankine.

    Sulla destra ci sono il condensatore, la pompa e la caldaia. Sulla sinistra c'è il motore di cui sono stati rappresentati il cilindro, il pistone e due valvole pilotate. La pompa trasferisce il liquido dal condensatore alla caldaia. In caldaia viene fornito il calore per la vaporizzazione ed eventualmente per il surriscaldamento del vapore. La pressione in caldaia è determinata dalla temperatura del liquido. Quando il pistone è completamente a destra, la valvola inferiore (valvola di scarico) si chiude mentre la valvola superiore (valvola di immissione) si apre. Il vapore in pressione entra nel motore e spinge il pistone verso sinistra. La pressione in caldaia durante la fase di espansione resta costante se viene fornito calore sufficiente per generare la quantità di vapore che entra nel motore. Quando è avvenuta la prima parte di corsa, la valvola di immissione si chiude e il vapore all'interno del motore inizia l'espansione adiabatica. Al punto morto superiore (pistone completamente a sinistra), la pressione all'interno del motore è diminuita fino ad eguagliare la pressione all'interno del condensatore e si apre la valvola di scarico. Il pistone si muove verso destra e scarica il vapore. All'interno del condensatore il vapore cambia di fase e diventa liquido. 

   La pressione all'interno del radiatore freddo è determinata dalla temperatura della parete più fredda del condensatore. Se la dissipazione termica è sufficiente a mantenere costante la temperatura della parete più fredda, la pressione all'interno del condensatore non varia. Al punto morto inferiore (pistone completamente a destra), la valvola di scarico si chiude, poi si apre la valvola di immissione e il vapore ad alta pressione inizia di nuovo ad entrare in camera. Il ciclo si completa con il pompaggio in caldaia del liquido che si forma nel condensatore. Nello schema animato proposto si individuano quattro elementi distinti ciascuno con la propria funzione:
       1.la caldaia è lo scambiatore caldo
     2.il motore è la parte attiva che converte l'energia potenziale del vapore generato in caldaia in lavoro
       3.il condensatore è lo scambiatore freddo
    4.la pompa è la parte passiva che ripristina il liquido in caldaia consumando lavoro per incrementare l'energia potenziale del liquido

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