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Cap.7 - I cicli termici delle macchine motrici
ma hanno trovato scarsissima applicazione pratica. Per una descrizione più approfondita di
tali cicli semplici si veda Jones & Dugan, Engineering Thermodynamics, Prentice-Hall,
Cap.5.
La difficoltà di realizzare cicli semplici è strettamente connessa a quella di realizzare
trasformazioni isoterme. Al contrario, è possibile costruire macchine in cui avvengono
trasformazioni che con ottima approssimazione (a meno delle inevitabili perdite termiche e
per attrito) possono essere considerate isobare, o adiabatiche, o isovolumiche. I cicli termici
delle macchine reali sono dunque basati su tali tipi di trasformazioni, come risulta dalla
Tabella 1. I fluidi adottati sono quelli largamente disponibili e di basso costo, ovvero l’aria e
l’acqua: nessuna alternativa valida è stata a tutt’oggi trovata, sebbene in alcuni cicli a gas si
adotti l’elio o l’anidride carbonica.
Ciclo Descrizione sommaria Fluido Combustione
Principali
applicazioni
Rankine/Hirn due adiabatiche e due isobare acqua/
vapore
esterna Propulsione navale.
Centrali termoelettriche.
Joule/Brayton due adiabatiche e due isobare aria interna Propulsione aeronautica
Centrali termoelettriche
elio o CO 2 esterna
Combinato ciclo Brayton e ciclo Rankine aria e vapore interna Centrali termoelettriche.
(riscaldato dai gas di scarico
del Brayton) in cascata
Otto
due adiabatiche e due
isovolumiche
aria interna Motori alternativi per
autotrazione.
Generatori elettrici di
Diesel
due adiabatiche, una isobara e
una isovolumica
bassa potenza.
aria interna Motori alternativi per
autotrazione.
Propulsione navale.
Tabella 1: Principali caratteristiche dei cicli più usati nelle macchine termiche motrici.
Nel seguito, verranno illustrate le caratteristiche dei cicli Rankine/Hirn e di quello
Joule/Brayton. Si tratteranno inoltre i cicli combinati, che uniscono i due precedenti in un
unico impianto di maggiore rendimento e rappresentano gli impianti di maggiore interesse nel
futuro prossimo. Si esporranno quindi brevemente i cicli Otto e Diesel, caratteristici dei
motori alternativi per trazione, e dei generatori elettrici di limitata potenza.
Nel corso di questo studio, faremo spesso riferimento a cicli endoreversibili, ovvero
considereremo sistemi al cui interno non sono presenti irreversibilità. Studieremo
separatamente l’effetto delle irreversibilità interne al ciclo.
Bisogna tenere conto che saranno comunque presenti delle irreversibilità esterne, dovute
principalmente al fatto che sono necessarie differenze di temperatura finite per prelevare
calore dalla sorgente calda e restituirlo alla sorgente fredda: la temperatura inferiore del fluido
di lavoro sarà quindi lievemente maggiore di quella ambiente, e la temperatura superiore del
fluido di lavoro sarà inferiore (in taluni casi anche largamente) a quella della sorgente calda.
Questo implica una riduzione di rendimento rispetto a quello che si avrebbe utilizzando
completamente il salto di temperatura disponibile. Per ridurre tali differenze al minimo,
aumentando il salto termico (tra le temperature medie di scambio superiore ed inferiore)
P.Di Marco – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Macchine Termiche 7-3