Macchine Flashcards
Dispositivi a flusso stazionario
- Scambiatori di calore
- Ugelli
- Diffusori
- Pompe
- Compressori
- Turbine
Definizione scala termodinamica delle temperature (Kelvin)
- Punto fisso: punto triplo dell’acqua To = 273,15 °C
- Rapporti tra temperature pari ai rapporti tra i calori scambiati da una macchina reversibile con due serbatoi a tali temperature
Ciclo Rankine: ipotesi
- No perdite di calore
- Trascurate variazioni di energia cinetica e potenziale
- Componenti in regime stazionario
Se il ciclo è inoltre considerato ideale
- No perdite di pressione per attrito negli scambiatori di calore
- Pompa e turbina isoentropiche
Ciclo Rankine: effetti delle pressioni in caldaia e nel condensatore
In generale il rendimento termodinamico di un ciclo aumenta se aumenta la temperatura alla quale viene assorbito calore, o diminuisce la temperatura alla quale viene ceduto calore.
Nel ciclo Rankine, di conseguenza, aumentando la pressione in caldaia o diminuendo la pressione nel condensatore il rendimento aumenta.
Per questo si usa un condensatore anziché scaricare il vapore in atmosfera e riprendere acqua nuova: il condensatore opera a pressione inferiore a quella atmosferica aumentando il rendimento, in aggiunta l’acqua usata è distillata e quindi meno corrosiva
Per contro, però, operando in questo modo il titolo di vapore in uscita dalla turbina diminuisce; per evitare che troppe gocce d’acqua colpiscano la turbina danneggiandola, si introduce il surriscaldamento o il risurriscaldamento, per mantenere il titolo di vapore in uscita superiore a 0,9
Ciclo frigorifero a compressione di vapore: differenze con ciclo di Carnot inverso
- Temperatura nell’evaporatore minore della temperatura della sorgente fredda; temperatura nel condensatore maggiore di quella della sorgente calda. Processi di scambio termico quindi non possono avvenire reversibilmente
- Compressore opera esclusivamente con vapore, non con miscela bifase perché le gocce d’acqua lo danneggerebbero
- Espansione in turbina produrrebbe poco lavoro rispetto al costo necessario per la manutenzione, quindi viene sostituita con una semplice valvola di laminazione
Ipotesi ciclo frigorifero ideale a compressione di vapore
- Non ci sono cadute di pressione dovute agli attriti nel condensatore e nell’evaporatore
- Compressione isoentropica reversibile nel compressore
Ciclo Joule-Brayton ad aria standard: ipotesi del modello
- Fluido di lavoro aria, considerata gas ideale
- Riscaldamento nella camera di combustione sostituito da scambiatore di calore
- Ciclo chiuso da uno scambiatore di calore che riporta l’aria in uscita dalla turbina alle condizioni iniziali
- Elementi modellizzati come sistemi aperti in regime stazionario, trascurando variazioni di energia cinetica e potenziale
Altre possibili ipotesi:
- Portata in massa costante
- Calore specifico costante (aria standard fredda)
Ciclo ideale:
- Compressore e turbina isoentropici
- No cadute di pressione negli scambiatori
Ciclo Joule-Brayton: effetto del rapporto di compressione sul rendimento
- Rendimento aumenta all’aumentare del rapporto di compressione
- Limite tecnologico alla temperatura massima del ciclo impedisce aumento del rapporto di compressione
Ciclo Joule-Brayton rigenerativo
- Gas in uscita dalla turbina sono in genere a temperatura molto superiore rispetto a quella ambiente, quindi possono essere sfruttati per incrementare il rendimento
- Il recuperatore è uno scambiatore di calore controcorrente in cui la corrente fredda è l’aria in uscita dal compressore, la corrente calda è l’aria di scarico in uscita dalla turbina
- L’aria in uscita dal compressore viene scaldata, così per raggiungere la temperatura massima nella camera di combustione serve meno calore, con conseguente risparmio di carburante
- La temperatura massima teoricamente raggiungibile dalla corrente fredda è pari a quella della corrente calda in ingresso
- Il lavoro netto uscente resta invariato; il rendimento aumenta per la diminuzione del calore entrante
- La presenza dello scambiatore di calore rende la macchina ingombrante, per questo è usata soprattutto in impianti a terra, raramente su aerei (aerei da ricognizione con autonomia molto elevata e basse velocità)
Propulsione aeronautica
- Motore a turbogetto
- Compressore, combustione, turbina
- Lavoro prodotto in turbina serve solo per alimentare compressore
- Gas in uscita dalla turbina passano in un ugello che aumenta la velocità del gas
- La variazione di quantità di moto tra ingresso e uscita genera spinta
- Possibile utilizzo di post bruciatore, per scaldare gas in uscita dalla turbina per produrre spinta maggiore (decollo)
Tipologie motori a combustione interna
- Motori ad accensione comandata (a scintilla): miscela di aria e combustibile viene accesa da una scarica elettrica prodotta da una candela
- Motori ad accensione spontanea (per compressione): aria compressa a pressione e temperatura tali che quando viene iniettato carburante la combustione avviene spontaneamente
Descrizione motore a 4 tempi reale
- Aspirazione: pistone parte nel punto morto superiore, e con valvola di aspirazione aperta, si sposta fino al punto morto inferiore, aumentando il volume.
Nei motori a combustione comandata viene immessa aria e combustibile, nei motori a combustione spontanea solo aria - Compressione: valvole chiuse; il pistone comprime la miscela nel cilindro, aumentandone temperatura e pressione
- Combustione: valvole sempre chiuse; ulteriore innalzamento di temperatura e pressione. Combustione comandata da scintilla alla fine della fase di compressione, combustione spontanea tramite iniezione di combustibile alla fine della fase di compressione. Provoca espansione del gas e lavoro utile sul pistone.
- Scarico: valvola di scarico aperta, gas combusto scaricato. Cilindro termina fase di espansione e poi ritorna al punto morto superiore
Ipotesi modello ad aria standard (fredda)
- Fluido di lavoro aria, considerato gas ideale
- Combustione sostituita da scambio di calore
- Eliminati processi di aspirazione e scarico; ciclo completato da scambio termico a volume costante
- Processi internamente reversibili
- Calori specifici costanti (aria standard fredda)
Effetto del rapporto di compressione volumetrico sul rendimento del ciclo Otto
- Rendimento aumenta all’aumentare del rapporto di compressione
- Limite superiore al rapporto di compressione imposto dalla possibilità di autoaccensione: nei motori ad accensione programmata si deve evitare che la miscela infiammabile raggiunga temperature e pressioni troppo elevate; con benzina con piombo problema risolto, ma inquinante; con benzina senza piombo rapporto di compressione limitato a 9.
- Nei motori a combustione spontanea rapporto di compressione più alto perché la miscela è solo aria quindi non c’è il problema dell’autoaccensione
