Il ciclo di Rankine
Concept Map
Il ciclo di Rankine è un processo termodinamico chiave per gli impianti motori a vapore nelle centrali termoelettriche. Comprende quattro fasi: riscaldamento isobaro, vaporizzazione isotermobarica, surriscaldamento isobaro e espansione adiabatica isoentropica, seguiti da condensazione e compressione per completare il ciclo. Gli scambi energetici avvengono tramite calore e lavoro, con rappresentazione nei diagrammi p-V, T-s e h-s.
Summary
Outline
Il Ciclo di Rankine: Principi Fondamentali e Componenti
Il ciclo di Rankine è un processo termodinamico che costituisce il fondamento per il funzionamento degli impianti motori a vapore, come quelli utilizzati nelle centrali termoelettriche. Il ciclo si basa su quattro fasi principali: due trasformazioni adiabatiche e due isobare, e si avvale di un fluido di lavoro in fase liquida e vapore, generalmente acqua. Gli elementi principali di un impianto a ciclo di Rankine sono il generatore di vapore (GV), la turbina a vapore (TV), il condensatore (CV) e la pompa di alimento (PA). Il ciclo inizia con l'acqua pressurizzata (punto 0) che entra nel GV e subisce un riscaldamento isobaro (0-1), seguito dalla vaporizzazione isotermobarica (1-2) e dal surriscaldamento isobaro (2-3). Dopo aver ceduto energia meccanica durante l'espansione adiabatica isoentropica nella TV (3-4), il vapore si condensa isotermobaricamente nel CV (4-5), per poi essere reimpresso nel ciclo dalla PA attraverso una compressione adiabatica isoentropica (5-0).Descrizione delle Trasformazioni nel Ciclo di Rankine
Il ciclo di Rankine inizia con l'acqua pressurizzata che viene riscaldata a pressione costante (0-1), trasformandosi gradualmente in acqua satura. La fase successiva è la vaporizzazione isotermobarica (1-2), durante la quale l'acqua satura diventa vapore saturo secco. Questo vapore viene poi surriscaldato a pressione costante (2-3), aumentando la sua temperatura oltre il punto di saturazione. L'espansione adiabatica isoentropica nella turbina (3-4) consente al vapore di compiere lavoro meccanico, trasformandosi in vapore saturo umido. Il ciclo si completa con la condensazione isotermobarica nel condensatore (4-5), dove il vapore si trasforma in liquido satura, e la successiva compressione adiabatica isoentropica (5-0) che riporta l'acqua alla pressione iniziale.Scambi Energetici e Rappresentazione Grafica del Ciclo di Rankine
Il ciclo di Rankine è caratterizzato da scambi di calore e lavoro con l'ambiente esterno. Durante l'isobara ad alta pressione (0-1-2-3), il sistema acqua-vapore assorbe calore dalla caldaia, mentre nell'isobara a bassa pressione (4-5), il calore viene ceduto al condensatore. Le trasformazioni adiabatiche comprendono l'espansione in turbina (3-4), che produce lavoro meccanico, e la compressione nella pompa (5-0), che richiede lavoro esterno. La rappresentazione grafica del ciclo di Rankine può essere realizzata attraverso il diagramma dinamico (p-V), che mostra le variazioni di pressione e volume, il diagramma entropico (T-s), che evidenzia gli scambi di calore, e il diagramma entalpico (h-s), noto come diagramma di Mollier, che facilita il calcolo degli scambi di lavoro e calore.Il Ciclo di Rankine nei Diagrammi Dinamico, Entropico ed Entalpico
Il diagramma dinamico (p-V) del ciclo di Rankine illustra le variazioni di pressione e volume del fluido, ma può risultare meno pratico per la visualizzazione del ciclo completo a causa dell'ampia estensione della curva limite di saturazione. Il diagramma entropico (T-s) è meno immediato ma fornisce dettagli sugli scambi di calore, rappresentati dalle aree sotto le curve delle trasformazioni. Il diagramma entalpico (h-s), o di Mollier, è particolarmente indicato per l'analisi del ciclo di Rankine, in quanto permette di determinare con precisione gli scambi di lavoro e di calore, rappresentando le variazioni di entalpia lungo le trasformazioni adiabatiche e isobare.
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Fasi del ciclo
Trasformazioni adiabatiche
Le trasformazioni adiabatiche sono due e comprendono l'espansione in turbina e la compressione nella pompa
Trasformazioni isobare
Isobara ad alta pressione
Durante l'isobara ad alta pressione, il sistema acqua-vapore assorbe calore dalla caldaia
Isobara a bassa pressione
Nell'isobara a bassa pressione, il calore viene ceduto al condensatore
Fasi del ciclo
Il ciclo si compone di quattro fasi principali: due trasformazioni adiabatiche e due isobare
Elementi dell'impianto
Generatore di vapore
Il generatore di vapore è uno dei quattro elementi principali dell'impianto a ciclo di Rankine
Turbina a vapore
La turbina a vapore è responsabile della trasformazione del vapore in energia meccanica
Condensatore
Il condensatore è il componente che permette la trasformazione del vapore in liquido satura
Pompa di alimento
La pompa di alimento è responsabile della compressione del vapore per riportarlo al ciclo
Trasformazioni del fluido
Riscaldamento isobaro
Durante il riscaldamento isobaro, l'acqua pressurizzata viene riscaldata a pressione costante
Vaporizzazione isotermobarica
La vaporizzazione isotermobarica trasforma l'acqua satura in vapore saturo secco
Surriscaldamento isobaro
Durante il surriscaldamento isobaro, il vapore viene portato oltre il punto di saturazione aumentando la sua temperatura
Espansione adiabatica isoentropica
L'espansione adiabatica isoentropica nella turbina consente al vapore di compiere lavoro meccanico
Condensazione isotermobarica
La condensazione isotermobarica nel condensatore trasforma il vapore in liquido satura
Compressione adiabatica isoentropica
La compressione adiabatica isoentropica nella pompa richiede lavoro esterno per riportare il vapore al ciclo
Rappresentazione grafica
Diagramma dinamico (p-V)
Il diagramma dinamico rappresenta le variazioni di pressione e volume del fluido durante il ciclo
Diagramma entropico (T-s)
Il diagramma entropico evidenzia gli scambi di calore durante il ciclo
Diagramma entalpico (h-s)
Il diagramma entalpico, o di Mollier, permette di calcolare con precisione gli scambi di lavoro e calore durante il ciclo
Il ciclo di Rankine
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00
Le quattro fasi principali del ciclo includono due trasformazioni ______ e due ______.
adiabatiche
isobare
01
Gli elementi chiave di un impianto che utilizza questo ciclo sono il generatore di ______, la turbina a ______, il ______ e la pompa di ______.
vapore
vapore
condensatore
alimento
02
Riscaldamento a pressione costante (0-1)
Acqua pressurizzata riscaldata fino a diventare acqua satura senza cambiare pressione.
