CICLI MOORI Utilizzando un motore (sorgente di lavoro meccanico oerante in maniera ciclica) che evolve secondo il ciclo isotermo-adiabatico di Carnot in maniera internamente reversibile, scambiando calore in maniera esternamente reversibile con due sorgenti termiche, ed in articolare: una sorgente sueriore (termostato ) a iù alta temeratura che ha una (ed una sola) temeratura che sarà uguale a quella del motore endoreversibile quando ad esso fornisce calore, una sorgente inferiore (termostato ) a temeratura iù bassa (generalmente raresentata dall ambiente esterno) che ha una (ed una sola) temeratura che sarà uguale quella del motore endoreversibile quando da esso riceve calore, è ossibile ottenere dal motore endoreversibile il suo funzionamento al rendimento massimo consentito dalle temerature delle due sorgenti e realizzare così una macchina bitermica reversibile che oera secondo il ciclo di Carnot il cui rendimento è esrimibile in funzione soltanto della temeratura delle due sorgenti η Carnot Abbiamo visto che, er otere ottenere otenza da una macchina è necessario assicurare un oortuna differenza di temeratura tra le sorgenti termiche ed il motore; er mantenerci nel caso ideale, ossiamo considerare ancora quest ultimo come un motore che evolve secondo il ciclo ideale di Carnot in maniera internamente reversibile. La macchina che comlessivamente ne risulta è ertanto basata su di un motore endoreversibile che scambia calore in maniera esternamente non reversibile con due sorgenti termiche: quella sueriore che avrà una (ed una sola) temeratura che sarà maggiore di quella del motore endoreversibile quando ad esso fornisce calore ed una sorgente inferiore che avrà una (ed una sola) temeratura che sarà minore di quella del motore endoreversibile quando ad esso sottrae calore. Regolando oortunamente i due salti termici sarà ossibile ottenere dal motore endoreversibile inserito in ciclo bitermico non reversibile er irreversibilità di tio termico esterno, il suo funzionamento alla otenza massima consentita dalle temerature delle due sorgenti. Il rendimento della macchina di Carnot oerante a temo finito è ancora esrimibile in funzione soltanto della temeratura delle due sorgenti: η CF Concentriamo ora la nostra attenzione sul motore. E oortuno nella ratica usare, come motore endoreversibile, un motore che funziona secondo il ciclo di Carnot? Osservando un ciclo di Carnot riortato su di un diagramma (P,v) si uò notare che l area racchiusa all interno del ciclo è assai modesta; ciò è dovuto al fatto che gli esonenti della olitroica
isoterma (n) e della olitroica adiabatica (n max,666 er gas monoatomico) sono molto simili. Per aumentare la otenza erogata er ciclo si otrebbe ensare di: - Innalzare la ressione massima o diminuire la minima. - Aumentare la quantità di gas contenuta nella macchina - Aumentare il numero di cicli nell unità di temo E evidente che: - la ressione minima non uò essere abbassata al di sotto della ressione atmosferica - innalzare la ressione massima comorta un aumento della temeratura massima che uò divenire incomatibile con i materiali attualmente disonibili - un aumento della quantità di gas comorta un eccessivo aumento delle dimensioni e quindi del eso della macchina - un numero di giri troo elevato comorta roblemi meccanici (inerzie). Bisogna ertanto rinunziare all idea di realizzare un ciclo di Carnot e cercare altri cicli che abbiano, a arità di eso di sostanza, di temerature e di ressioni di lavoro, aree iù grandi e quindi una maggior roduzione di lavoro er ciclo. Questi cicli, diversi da quello di Carnot, adotteranno, al osto delle trasformazioni isoterme (che sono difficili da realizzare) trasformazioni di vario genere (a P costante, a V costante, olitroiche di vario indice, ecc) e saranno ertanto cicli olitermici, ancorché almeno nello studio teorico dei cicli ideali reversibili. Descriveremo nel seguito alcuni cicli motori olitermici reversibili di largo imiego nella ratica. Studieremo questi motori nel loro funzionamento in un ciclo ideale a gas erfetto (che nelle alicazioni ratiche sarà l aria) allo scoo di calcolarne il rendimento in funzione di alcune temerature del ciclo e delle caratteristiche del gas (ricordiamo infatti che la descrizione del rendimento in base alle due sole temerature estreme, indiendentemente dalle caratteristiche del fluido, è ossibile solo er il ciclo di Carnot). I calori scambiati dalle macchine verranno considerati come forniti da serbatoi esterni alla macchina stessa (motori esotermici) tralasciando ogni considerazione sulla reversibilità degli scambi di calore tra il motore e le (infinite) sorgenti esterne. Vale la ena ricordare che, se tali scambi fossero reversibili avremmo allora un ciclo olitermico reversibile, ma certamente incaace di rodurre otenza dovendo oerare gli scambi di calore in maniera lentissima; se fossero non reversibili (ciclo olitermico endoreversibile con irreversibilità di tio termico esterno) avremmo roduzione di otenza e - calcolando gli oortuni salti di temeratura - il funzionamento a massima otenza. Ci occueremo in articolare dei seguenti cicli motori - ciclo Otto - ciclo Diesel - ciclo Sabathé - ciclo Joule-Brayton Per ciascuno di questi cicli otremo verificare che il loro rendimento è inferiore a quello del ciclo di Carnot che lavora tra le temerature estreme del ciclo in esame, dimostrazione uramente formale erché, come si è già dimostrato in via generale, il ciclo di Carnot che lavora tra due temerature ha un rendimento sueriore a quello di tutte le macchine olitermiche reversibili che lavorano all interno di quelle temerature. Verranno in seguito discusse le modalità di realizzazione ratica di questi cicli senza l utilizzazione di sorgenti esterne ad alta temeratura (motori endotermici). In queste macchine, dette anche motori a combustione interna, il calore necessario sarà fornito sotto forma di energia interna (chimica) direttamente al fluido evolvente nella macchina.
In questo caso è evidente che, mentre gli organi meccanici della macchina si riorteranno ciclicamente nelle condizioni iniziali, il fluido, modificandosi durante il rocesso, non otrà ercorrere un ciclo chiuso di trasformazioni e dovrà essere rinnovato alla fine di ogni ciclo meccanico. Verranno infine introdotti i cicli motori esotermici nei quali l aumento della quantità di lavoro rodotta er ciclo, (corrisondente all allargamento della suerficie interna del ciclo nel diagramma (P,v)) sarà ottenuta sfruttando le rorietà fisiche di alcuni fluidi reali (in articolare l acqua) durante i loro cambiamenti di fase. In questi cicli il calore necessario sarà fornito essenzialmente sotto forma di energia interna legata ai assaggi da uno stato fisico del fluido reale ad un altro (assaggi di fase liquido/vaore e vaore/liquido). Ci occueremo in articolare dei cicli motori - ciclo della macchina a vaore (Watt) - ciclo Rankine 4
Ciclo Otto Standard ad aria P Q - Q - Q 4- V Q 4- S Le figure mostrano lo svolgimento del ciclo Otto Standard nei diagrammi (P,v) e (,S). Si consideri la macchina formata da un cilindro munito di istone contente una certa quantità di gas erfetto (.es. kg d aria). utte le trasformazioni subite dal gas siano (internamente) reversibili e ertanto raresentabili sui diagrammi come una successione di stati di equilibrio. : il istone, mosso dall esterno, realizza una comressione adiabatica, nello stato il gas ha una ressione ed una temeratura sueriori a quelle dello stato (in questa fase viene assorbito lavoro dall esterno). : il istone è fermo, il gas viene riscaldato dall esterno a volume costante, crescono la sua temeratura, la ressione e l entroia. (in questa fase viene assorbito calore dall esterno) Il calore trasferito al gas è: c ( ) Q v : il gas si esande adiabaticamente, la temeratura e la ressione del gas diminuiscono (in questa fase viene fornito lavoro all esterno). : il istone è fermo, il gas viene raffreddato dall esterno a volume costante, diminuiscono la sua temeratura, la ressione e l entroia. (in questa fase viene ceduto calore all esterno) Il calore sottratto al gas è: c ( ) Q4 v 4 Il rendimento della macchina sarà ertanto: Q Q4 Q4 ηotto Q Q c c v v (4 ) ( ) ( 4 ) ( ) Ed essendo adiabatiche le due trasformazioni di comressione e di esansione, e considerando che nelle due isocore v v e v v 4, si ha anche: v v k v v 4 k 4 e ertanto 4 5
con k c cv esonente (identico) delle due adiabatiche. L esressione del rendimento della macchina ideale funzionante con il ciclo Otto risulta diversamente dal Ciclo di Carnot - funzione delle caratteristiche del fluido essendo: η Otto k v k v rv Detto r v v v v4 v raorto volumetrico, è facile vedere che il rendimento del ciclo Otto cresce al crescere di questo, tendendo ad qualora il raorto volumetrico tenda ad infinito, ossia nel caso che il volume in sia iccolissimo risetto al volume iniziale e quindi in ratica- al tendere ad infinito della ressione finale della comressione adiabatica. Anche se il rendimento del ciclo Otto uò esrimersi in funzione di due temerature, si osservi che la temeratura non è la temeratura di una delle due sorgenti, come avviene er la macchina di Carnot, ma è funzione - come è facile controllare delle caratteristiche del fluido utilizzato. E inoltre evidente che il rendimento del Ciclo Otto è inferiore a quello del Ciclo di Carnot di confronto, il cui rendimento si ottiene in funzione delle temerature massima e minima del ciclo, ed è ertanto: η Carnot > ηotto essendo, temeratura massima del ciclo, ovviamente maggiore di. Il lavoro fornito dalla macchina in ogni ciclo, dato dall area ---4 sul diagramma P,V uò essere aumentato in due modi: a) Aumentando il raorto volumetrico r v V /V b) Aumentando il calore fornito Q -. P (b) Q - 4 4 L ciclo 4 (a) V V V 6
Per r 8 il rendimento teorico è circa 56% (il doio del valore reale). Si ricordi che nei motori a Combustione Interna il raorto volumetrico è limitato dal rischio di autoaccensione) 7
Ciclo Diesel Standard: P Q - Q - Q 4- Q 4- V S Le figure mostrano lo svolgimento del ciclo Diesel Standard nei diagrammi (P,v) e (,S). Si consideri la macchina formata da un cilindro munito di istone contente una certa quantità di gas erfetto (.es. kg d aria). utte le trasformazioni subite dal gas siano (internamente) reversibili e ertanto raresentabili sui diagrammi come una successione di stati di equilibrio. : il istone, mosso dall esterno realizza una comressione adiabatica, nello stato il gas ha una ressione ed una temeratura sueriori a quelle dello stato (in questa fase viene assorbito lavoro dall esterno). : il istone si muove, il gas viene riscaldato dall esterno a ressione costante, crescono la sua temeratura, il volume e l entroia. (in questa fase viene assorbito calore dall esterno) Il calore trasferito al gas è: c ( ) Q : il gas si esande adiabaticamente, la temeratura e la ressione del gas diminuiscono (in questa fase viene fornito lavoro all esterno). : il istone è fermo, il gas viene raffreddato dall esterno a volume costante, diminuiscono la sua temeratura, la ressione e l entroia. (in questa fase viene ceduto calore all esterno) Il calore sottratto al gas è: c ( ) Q4 v 4 Il rendimento della macchina sarà ertanto: Q Q4 Q4 ηdiesel Q Q c c v (4 ) ( ) k ( 4 ) ( ) Essendo adiabatiche le due trasformazioni di comressione e di esansione, ma essendo v v 4 si ha anche: v v k v v 4 k 4 e ertanto 4 8
Detto ancora una volta r v v v il raorto volumetrico, definendo raorto di cut-off r v v il raorto tra il volume finale e quello iniziale nell esansione isobara durante la quale c il ciclo assorbe calore e ricordando che è k c cv l esonente (identico) delle due adiabatiche, l esressione del rendimento della macchina ideale funzionante con il ciclo Diesel risulta semre diversamente dal ciclo di Carnot - funzione delle caratteristiche del fluido essendo: η Diesel k r c k rv k(rc ) onendo rc e considerando che la forma indeterminata che ne deriva uò essere facilmente ridotta ad uno, ritroviamo il rendimento del ciclo Otto. 9
Ciclo Joule Standard: P Q - Q - Q 4- V Q 4- S Le figure mostrano lo svolgimento del ciclo Joule Standard nei diagrammi (P,v) e (,S). Si consideri la macchina formata da un cilindro munito di istone contente una certa quantità di gas erfetto (.es. kg d aria). utte le trasformazioni subite dal gas siano (internamente) reversibili e ertanto raresentabili sui diagrammi come una successione di stati di equilibrio. : il istone, mosso dall esterno realizza una comressione adiabatica, nello stato il gas ha una ressione ed una temeratura sueriori a quelle dello stato (in questa fase viene assorbito lavoro dall esterno). : il istone si muove, il gas viene riscaldato dall esterno a ressione costante, crescono la sua temeratura, il volume e l entroia. (in questa fase viene assorbito calore dall esterno) Il calore trasferito al gas è: c ( ) Q : il gas si esande adiabaticamente, la temeratura e la ressione del gas diminuiscono (in questa fase viene fornito lavoro all esterno). : il gas viene raffreddato dall esterno a ressione costante, diminuiscono la sua temeratura, il volume e l entroia. (in questa fase viene ceduto calore all esterno) Il calore sottratto al gas è: Q4 c(4 ) Il rendimento della macchina sarà ertanto: Q Q4 Q ηjoule Q Q 4 c c (4 ) ( ) ( 4 ) ( ) Essendo adiabatiche le due trasformazioni di comressione e di esansione ed essendo 4 e, si ha:
4 k k 4 k k e ertanto 4 Definendo raorto di comressione il raorto r / / 4 e ricordando che è semre c c v k l esonente (identico) delle due adiabatiche, l esressione del rendimento della macchina ideale funzionante con il ciclo Joule risulta semre diversamente dal ciclo di Carnot - funzione delle caratteristiche del fluido essendo: k k k k Joule r η E evidente che, essendo la temeratura minima del ciclo e > la massima, il rendimento del ciclo Joule è inferiore a quello del corrisondente ciclo di Carnot. Dall esressione del rendimento si nota come esso cresca al crescere del raorto di comressione il cui valore è erò limitato dalle temerature raggiungibili alla fine della fase di combustione, che devono essere comatibili con i materiali utilizzati.
Ciclo Otto, realizzazione ratica Nella realizzazione ratica del ciclo Otto, il cilindro munito di istone usato nel caso ideale viene modificato con l aggiunta di un condotto di asirazione, un condotto di scarico, ambedue muniti di valvole a funzionamento automatico, e di un organo detto candela. Il fluido di lavoro è costituito rincialmente da aria relevata dall ambiente, alla quale un organo esterno, detto carburatore aggiunge una iccola quantità di vaori di benzina. Nei motori iù moderni (motori a iniezione)la miscela viene realizzata direttamente all interno del cilindro con un meccanismo molto simile a quello usato nei motori Diesel. La miscela aria-benzina è, sotto oortune condizioni, una miscela detonante la cui energia interna (chimica) fornisce dall interno il calore necessario alla realizzazione del ciclo motore. Questi tii di motore rendono erciò il nome di motori endotermici. Il funzionamento del ciclo uò essere descritto seguendo le rinciali fasi meccaniche seguite dal cilindro e le corrisondenti trasformazioni del fluido. Fase : Introduzione della miscela detonante nel cilindro In questa fase il istone si muove verso il basso e la miscela, assando attraverso la valvola di asirazione oortunamente aerta, riemie il cilindro. Si noti che in questa fase non viene scambiato né calore né lavoro tra il sistema e l esterno: si tratta di un semlice sostamento dall esterno all interno del istone di un fluido che mantiene le rorie caratteristiche iniziali di temeratura e di ressione. Non viene effettuata nessuna trasformazione sul fluido (miscela aria-benzina). Nella ratica il fluido assume una ressione leggermente inferiore a quella atmosferica a causa delle resistenze introdotte dal filtro, dal carburatore, dai condotti di asirazione, dalla valvola. 4
Fase : Comressione della miscela detonante In questa fase, che avviene a valvole chiuse, la miscela subisce una trasformazione adiabatica di comressione con aumento sia della temeratura che della ressione, mentre il volume occuato dalla miscela diminuisce; il lavoro di comressione necessario viene fornito dall esterno. Si è visto che il rendimento del ciclo Otto cresce al crescere del raorto volumetrico, tendendo ad uno qualora il raorto volumetrico tenda ad infinito, ossia nel caso che il volume finale sia iccolissimo risetto al volume iniziale e quindi in ratica- al tendere ad infinito della ressione finale nella comressione adiabatica. Nei motori moderni il raorto volumetrico è mantenuto intorno a 0- e uò raggiungere valori ari a 5-7 nei motori da cometizione. Essendo la comressione di tio adiabatico anche la temeratura come si è già detto è destinata a crescere; l aumento di temeratura otrebbe innescare la detonazione della miscela rima che il istone raggiunga la massima altezza (unto morto sueriore) in un unto casuale, non controllato e non adatto del ciclo creando gravi inconvenienti di tio meccanico. Un aumento della ressione di fine comressione uò ottenersi aggiungendo alla miscela oortuni additivi chimici con rorietà antidetonanti. 5
Fase : Detonazione della miscela Quando il istone sta er giungere al unto morto sueriore la miscela viene incendiata dalla scintilla rodotta dalla candela. La roduzione della scintilla con un iccolo anticio consentirà al fronte di fiamma di roagarsi a tutta la miscela ottenendone la combustione comleta mentre il istone comleta la sua corsa verso il unto morto sueriore. La reazione di combustione è raidissima (detonazione), il istone, giunto al unto morto sueriore, non ha il temo di muoversi all indietro e la trasformazione che ne risulta uò considerarsi a volume costante, si ha ertanto un brusco aumento della temeratura e della ressione senza roduzione né assorbimento di lavoro. 6
Fase 4 : Esansione dei gas combusti In questa fase i gas combusti ad alta temeratura e ad alta ressione generati dalla detonazione si esandono in maniera adiabatica, semre a valvole chiuse, roducendo lavoro meccanico. Il istone raggiunge così il unto morto inferiore. Fase 5 : Scarico dei gas combusti Al raggiungimento del unto morto inferiore segue l aertura della valvola di scarico, la ressione cade bruscamente al valore della ressione atmosferica. Il istone, iniziando a risalire verso il unto morto sueriore, svuota il cilindro dei gas combusti; durante il movimento del istone non viene scambiato né calore né lavoro tra il sistema e l esterno: si tratta di un semlice sostamento dall interno all esterno di un fluido che mantiene le rorie caratteristiche di temeratura e di ressione. Non viene effettuata nessuna trasformazione sul fluido (gas combusti). 7
Nella ratica il fluido dovrà avere una ressione leggermente sueriore a quella atmosferica a causa delle resistenze introdotte dalla valvola, dai condotti di scarico e dal silenziatore. In conclusione: gli organi meccanici della macchina hanno comiuto un ciclo, il fluido, avendo subito delle modifiche ermanenti non uò tornare nelle condizioni iniziali; ossiamo considerare quindi il ciclo del fluido si chiuda sull ambiente esterno che ha il comito di raffreddare i gas combusti e fornire l aria fresca er il rossimo ciclo. Il motore Otto, largamente imiegato nell autotrazione e nei iccoli aerei, viene detto a quattro temi [asirazione, comressione, scoio, scarico] in base alle fasi meccaniche seguite dal istone iuttosto che sulle trasformazioni termodinamiche del fluido. Ciclo Diesel : realizzazione ratica Anche il motore Diesel, come il motore Otto è detto motore a quattro temi. Il funzionamento dei due motori è infatti, dal unto di vista delle fasi meccaniche, assai simile. La figura mostra una sezione di un cilindro di un motore Diesel. La differenze sostanziali tra un motore Otto e un Diesel sono qui evidenti: manca infatti la candela, l organo che serve ad innescare la detonazione della miscela, al suo osto troviamo un iniettore. Le fasi del funzionamento di un Diesel ossono essere così riassunte: Fase : Introduzione di aria esterna nel cilindro : nella fase di asirazione il cilindro viene riemito di sola aria Fase : Comressione dell aria : questa fase uò essere comiuta con un raorto di comressione iù elevato risetto al ciclo Otto senza roblemi di detonazione, (essendo l aria un gas raticamente inerte) raggiungendo valori di ressione e temeratura di fine comressione iù elevati risetto a quelli del ciclo Otto. Fase : Iniezione del combustibile : quando il istone ha raggiunto il unto morto sueriore l iniettore comincia ad aggiungere un olio combustibile (generalmente nafta o gasolio) all aria 8
contenuta nel cilindro. Le condizioni di ressione e di temeratura raggiunte a fine comressione devono essere tali da rovocare l immediata accensione della miscela formatasi nella recamera. La candeletta glow-lug visibile nella figura serve aunto a consentire l avvìo a motore freddo. A differenza del ciclo Otto dove l accensione della miscela è comleta e (quasi) istantanea, e la trasformazione che ne risulta uò considerarsi a volume costante, nel ciclo Diesel la fase di iniezione viene rotratta er qualche temo, dando la ossibilità al istone di muoversi verso il basso comensando, con l aumento di volume, l aumento della ressione dovuto alla combustione della miscela aria-nafta. La trasformazione che ne consegue uò essere considerata a ressione costante. Le fasi successive: Fase 4 : Esansione dei gas combusti Fase 5 : Scarico dei gas combusti Sono identiche a quelle del ciclo Otto. Si è osservato in recedenza che a arità di fluido e di raorto volumetrico - il rendimento del ciclo Diesel è semre inferiore a quello del ciclo Otto; osserviamo ora che, non esistendo motivazioni (oltre quelle di carattere tecnologico) che limitino il raorto volumetrico di un Diesel, è ossibile costruire motori Diesel con raorti V iniziale / V finale fino a 4: contro i 0: dei motori Otto. Ciò consente ai motori Diesel iù moderni di esibire rendimenti sueriori a quelli dei motori Otto. Poiché la quantità di gasolio da introdurre è in raorto stechiometrico con il eso d aria contenuta nel cilindro ed il lavoro rodotto er ciclo è roorzionale al eso di miscela introdotta, nei motori Diesel veloci si adotta l accorgimento di comrimere l aria esterna rima di introdurla nel cilindro (turbodiesel). L oerazione viene attuata da un comressore mosso dai gas di scarico. Poiché nella comressione (fatta er aumentare la densità del fluido) si ha un riscaldamento indesiderato (erchè fa diminuire la densità del fluido a arità di ressione), tra il comressore ed il collettore di asirazione si interone uno scambiatore di calore (intercooler) raffreddato dall aria ambiente. Diesel Common Rail Nei motori Diesel tradizionali l'iniettore di ciascun cilindro viene messo in ressione doo che la oma di iniezione ha rearato la giusta quantità di carburante da immettere nel cilindro. Nei Diesel iù moderni il combustibile, oortunamente filtrato, viene inviato er mezzo di una oma ad alta ressione ad un distributore comune a tutti i cilindri (common rail) che agisce da serbatoio di accumulo er rifornire ciascuno degli iniettori. Il vantaggio rinciale di questo sistema risiede nell'amio camo di regolazione e nella raidità con cui la giusta quantità di combustibile uò essere fornita agli iniettori, con notevoli vantaggi sull'elasticità di marcia, sui consumi e sull'imatto ambientale. Lo svantaggio sta nella maggiore comlicazione del sistema sia dal unto di vista meccanico che dal unto di vista del controllo elettronico del funzionamento del motore. Occorrono infatti due ome di alimentazione er ortare il combustibile dal serbatoio fino alla ressione di 6-7 bar che sono richiesti all'ingresso della oma di alta ressione. Quest'ultima, di tio a istone, orta il combustibile nel sistema common rail alla ressione di circa 000 bar, ressione che viene controllata e monitorata dalla centralina elettronica di bordo. L' iniettore di ciascun cilindro releva il combustibile dalla linea comune ad alta ressione tramite una valvola a comando elettrico che uò essere di tio a solenoide o iezoelettrico 9
Ciclo Joule : realizzazione ratica Comressore Riscaldatore Q urbina La figura mostra lo schema di un tiico imianto er la roduzione di otenza funzionante mediante il Ciclo Joule. L imianto è formato da quattro elementi rinciali: W Q W Raffreddatore ) Un comressore (alternativo o rotativo, come in figura) dove viene realizzata la comressione adiabatica > del fluido di lavoro (aria) con assorbimento di lavoro, W. ) Uno scambiatore di calore (riscaldatore) dove viene fornito il calore Q necessario er comiere il ciclo motore. ) Un esansore (alternativo o una turbina, come in figura) dove viene realizzata l esansione adiabatica >4 del fluido di lavoro (aria) con roduzione di lavoro W. 4) Uno scambiatore di calore (raffreddatore) dove viene smaltito il calore Q necessario er chiudere il ciclo motore. Lo scambio di calore tra la sorgente ad alta temeratura (geotermica, nucleare, ecc) ed il fluido di lavoro (che - come si è già detto - è aria, ma otrebbe essere anche CO, come nel caso dei reattori nucleari a gas), così come quello tra il fluido di lavoro e l ambiente, avvengono in un disositivo detto aunto scambiatore di calore. Uno scambiatore di calore, che er imianti di taglia medio/alta è generalmente del tio a fascio tubiero ( shell & tubes ) realizza er sua natura una trasformazione a ressione costante sui fluidi che lo attraversano. Pertanto le quantità di calore scambiate lungo le trasformazioni > e 4> saranno calcolabili attraverso le differenze di temeratura ed i calori secifici a ressione costante dei fluidi utilizzati. Ne risulta un ciclo isobaro-adiabatico o ciclo di Joule standard. Dall esame della figura si uò ancora notare come all albero del comressore dovrà essere fornito un lavoro meccanico W, mentre dall albero della turbina si otrà relevare il lavoro meccanico W. Collegando meccanicamente tra loro i due alberi, il comressore assorbirà direttamente il lavoro necessario al suo funzionamento mentre, dall estremità oosta dall unico albero, otremo relevare il lavoro netto rodotto dal ciclo.. L W W Q Q
Ciclo Brayton : realizzazione ratica Comressore Camera di combustione Q urbina La figura mostra lo schema di un tiico imianto er la roduzione di otenza funzionante mediante il Ciclo Brayton. L imianto è formato da tre elementi rinciali: Q W -W Ambiente ) Un comressore rotativo, dove viene realizzata la comressione adiabatica -> del fluido di lavoro (aria). ) Una camera di combustione, dove viene iniettato con continuità un flusso di combustibile (gasolio, cherosene) la cui reazione esotermica con l aria comressa fornisce il calore Q necessario er comiere il ciclo motore. La trasformazione subita dall aria (che è in quantità assai sueriore a quella del combustibile) uò essere considerata a ressione costante. ) Una turbina, dove viene realizzata l esansione adiabatica ->4 del fluido di lavoro (gas combusti). La chiusura del ciclo avviene nell ambiente (ovviamente a ressione costante) dove la macchina scarica i gas combusti ed il comressore releva l aria fresca necessaria alla continuazione del ciclo. Ne risulta un ciclo isobaro-adiabatico o ciclo di Brayton. Collegando meccanicamente tra loro l albero del comressore e quello della turbina, si releva dall unico albero il lavoro netto rodotto dal ciclo.. L W W Q Q