UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA. 4. Sistemi Termici Motori Sistemi Motori a Gas. Roberto Lensi

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1 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 1 di 21 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Roberto Lensi DIPARTIMENTO DI ENERGETICA Anno Accademico

2 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 2 di 21 MOTORI VOLUMETRICI A COMBUSTIONE INTERNA Fig. 1 - Cicli termodinamici ideali (a) Otto - Beau de Rochas; (b) Diesel ; (c) Sabathé Fig. 2 - Diagramma indicato di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione comandata Fig. 3 - Diagramma indicato di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione per compressione

3 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 3 di 21 Fig. 4 - Fasi di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione comandata a) aspirazione; b) compressione; c) combustione ed espansione; d) scarico Fig. 5 - Fasi di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione per compressione a) aspirazione; b) compressione; c) iniezione, combustione ed espansione; d) scarico

4 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 4 di 21 Fig. 6 - Fasi di un motore aspirato a due tempi ad accensione comandata a) aspirazione nel carter e compressione nel cilindro; b) combustione ed espansione; c) scarico e riempimento cilindro (lavaggio); 1 luce di scarico; 2 luce di aspirazione; 3 luce di lavaggio Fig. 7 - Valori di alcuni parametri caratteristici per motori ad accensione comandata e ad accensione spontanea (per compressione)

5 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 5 di 21 Fig. 8 - Schema di sovralimentazione mediante turbocompressore 1 ingresso aria; 2 compressore centrifugo; 3 collettore di immissione aria; 4 tubazione di collegamento alla turbina dello scarico di un gruppo di tre cilindri; 5 turbina centripeta; 6 uscita prodotti della combustione Fig. 9 - Sistemi di sovralimentazione dei motori alternativi a combustione interna a) compressore volumetrico; b) turbocompressore; c) turbocompressore con intercooler

6 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 6 di 21 Fig Consumo specifico di combustibile di un motore aspirato a quattro tempi ad accensione comandata di due litri di cilindrata Fig Consumo specifico di combustibile di un motore a quattro tempi ad accensione per compressione sovralimentato con turbocompressore a gas di scarico e intercooler, ad iniezione diretta di 1896 cm 3 di cilindrata

7 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 7 di 21 Fig Sezione di cilindro con iniezione indiretta 1 iniettore; 2 condotto di aspirazione Fig Diagramma indicato per un motore alternativo a combustione interna a quattro tempi Fig Curve caratteristiche di un motore alternativo a combustione interna. Andamento della potenza (P), del momento motore (M) e del consumo specifico di combustibile (c s ), al variare del regime di rotazione del motore, in condizioni di massima ammissione

8 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 8 di 21 Fig Sezione trasversale sul cilindro, sulla valvola e sulla pompa olio di un motore alternativo a combustione interna a quattro tempi, aspirato, ad accensione comandata 1 filtro aria; 2 carburatore; 3 testata; 4 tubo di scarico; 5 monoblocco o blocco-cilindri; 6 pistone; 7 alternatore; 8 biella; 9albero motore; 10 coppa olio; 11 pompa olio; 12 albero a camme; 13 asta rinvio moto ai bilancieri; 14 spinterogeno; 15 candela; 16 valvola di scarico; 17 bilanciere Fig Sezione longitudinale sui cilindri e sulle valvole di un motore alternativo a combustione interna a quattro tempi, aspirato, ad accensione comandata

9 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 9 di 21 Fig Sezione trasversale sul cilindro e sul gruppo organi ausiliari di un motore alternativo a combustione interna a quattro tempi, aspirato, ad accensione per compressione 1 testata; 2 pistone; 3 monoblocco o blocco-cilindri; 4 biella; 5 albero motore; 6 coppa olio; 7 pompa olio; 8 filtro olio; 9 pompa iniezione; 10 candeletta di avviamento a incandescenza; 11 iniettore; 12 albero a camme Fig Sezione longitudinale sui cilindri, sulle valvole e sull'albero a camme di un motore alternativo a combustione interna a quattro tempi, aspirato, ad accensione per compressione

10 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 10 di 21 MOTORI DINAMICI Fig Ciclo termodinamico ideale Joule (Brayton) Fig Ciclo termodinamico ideale Holzwarth Fig Schema d'impianto in circuito chiuso Fig Schema d'impianto in circuito chiuso Fig Schema d'impianto in circuito aperto Fig Schema d'impianto in circuito aperto

11 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 11 di 21 Fig Ciclo Joule (Brayton) nel piano entropico e nel piano entalpico rappresentazione grafica del calore (Q) e del lavoro (L) scambiato Fig Rendimento ideale del ciclo Joule (Brayton) in funzione del rapporto di compressione Fig Rendimento limite del ciclo Joule (Brayton) in funzione del rapporto di compressione, al variare di k Fig Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite, per rapporti di compressione crescenti, a T 1 e T 3 costanti Fig Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite ( ) e reale con cadute di pressione trascurabili (1 2' 3 4')

12 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 12 di 21 Fig Lavoro massico utile in funzione del rapporto di compressione, per tre valori di temperatura massima [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Fig Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre valori della temperatura massima [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

13 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 13 di 21 Fig Rendimento e lavoro massico utile nel caso di ciclo reale per tre coppie di valori dei rendimenti di compressore e turbina [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

14 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 14 di 21

15 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 15 di 21

16 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 16 di 21 RIGENERAZIONE TERMICA Fig Schema d'impianto motore con turbina a gas a rigenerazione termica in circuito chiuso Fig Schema d'impianto motore con turbina a gas a rigenerazione termica in circuito aperto Fig Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite rigenerativo. Caso di rigenerazione ideale Fig Ciclo Joule (Brayton) ideale o limite rigenerativo. Caso di rigenerazione reale Efficienza di rigenerazione: c ( T2 R T2 ) R = c ( T T ) 2 2R P 4 2 P 4 2

17 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 17 di 21 Fig Rendimento in funzione del rapporto di compressione, per due valori di T 3 con rigenerazione ideale [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)] Fig Andamento di (T 4 -T 2 ) all'aumentare del rapporto di compressione, per valori costanti di T 1 e T 3

18 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 18 di 21 Fig Rigenerazione nel caso di ciclo reale (con cadute di pressione trascurabili) Fig Rendimento reale in presenza di rigenerazione (tre valori dell'efficienza di rigenerazione R) e senza rigenerazione (R = 0), per due valori della temperatura massima [T 1 = 288 K; k =1,4; c p = 1,0 kj/(kg K)]

19 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 19 di 21 Fig Ciclo Joule (Brayton) reale, ma con cadute di pressione trascurabili, nel caso di rigenerazione reale Fig Rapporto tra lavoro assorbito dal compressore e lavoro prodotto dalla turbina per un turbogas in circuito semplice (nel caso reale)

20 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 20 di 21 Fig Turbogas di derivazione aeronautica LM 6000 per applicazioni industriali (General Electric) Compressore di bassa pressione (5 stadi) seguito dal corpo di alta pressione (14 stadi), camera di combustione anulare, turbina a gas di alta pressione (2 stadi) che aziona il compressore di alta pressione, turbina a gas di bassa pressione (5 stadi) che aziona il compressore di bassa pressione e l'utilizzatore (non mostrato in figura)

21 Roberto Lensi 4. Sistemi Termici Motori 4.2. Sistemi Motori a Gas Pag. 21 di 21 BIBLIOGRAFIA Acton, Caputo, "Introduzione allo studio delle Macchine", UTET, Torino, Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, INDICE Frontespizio...1 Motori volumetrici a combustione interna...2 Motori dinamici...10 Rigenerazione termica...16 Bibliografia...21 Indice...21

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