Il ciclo di Rankine

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.