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Cap.7 - I cicli termici delle macchine motrici
Cenni ad ulteriori possibili miglioramenti del ciclo Brayton
Si accenna qui solo brevemente agli ulteriori metodi per migliorare il rendimento del ciclo
Brayton dato che essi sono ancora poco diffusi a livello applicativo. Per una loro trattazione
approfondita, si veda ad esempio Mastrullo, Mazzei e Vanoli, Termodinamica per Ingegneri,
Liguori, Cap.2.7-2.8.
• Compressione multistadio interrefrigerata: abbiamo visto (Cap.4) che con tale tecnica si
può ridurre il lavoro di compressione. Combinata alla rigenerazione, essa produce un
sensibile aumento di rendimento a spese di una notevole complicazione dell’impianto.
Recentemente, gli studi sulla compressione interrefrigerata hanno subito un nuovo
impulso dettato dalla necessità di elevare il rapporto di compressione fino a 40:1 ed oltre;
è stato proposto anche di effettuare la interrefrigerazione iniettando acqua nel fluido di
lavoro invece di utilizzare uno scambiatore di calore.
• Espansione multistadio con risurriscaldamento: detta anche post-combustione, è un
processo analogo al risurriscaldamento del ciclo Rankine. In questo caso si sfrutta il fatto
che i gas combusti hanno ancora un residuo tenore di ossigeno, dato che la combustione
avviene in eccesso di aria (v. Cap.15) per limitare le temperature di ingresso in turbina. I
gas vengono pertanto spillati dalla turbina ad una pressione intermedia, vi si effettua una
seconda combustione incrementandone la temperatura e successivamente essi vengono
rinviati alla turbina di bassa pressione. Nei motori aeronautici a reazione, la postcombustione
si effettua a valle della turbina e prima dell’ugello: è diffusa specialmente
negli aviogetti militari.
Queste soluzioni comportano generalmente un incremento di peso, complessità e costo della
macchina, vanificando la semplicità di impianto e di installazione caratteristica del ciclo
Brayton, cosicché esse hanno avuto finora poco successo commerciale, nonostante il
vantaggio termodinamico; vengono adesso riproposte, specialmente per quanto riguarda la
interrefrigerazione, come temi di ricerca per la realizzazione di impianti ad elevato
rendimento.
Metodi di studio più accurati per il ciclo Brayton
Tutte le considerazioni svolte finora sono valide nel caso che il fluido di lavoro sia un gas
ideale con calore specifico costante. Si possono considerare modelli via via più accurati del
fluido di lavoro:
‣ gas ideale con c p = f (T);
‣ gas reale con h = f (T, p);
‣ gas reale di composizione chimica variabile tra compressione ed espansione (per effetto
della combustione interna).
In tutti questi casi, le espressioni in cui compare l’entalpia (es. Eq.(7.30)) e non la
temperatura del fluido (es. Eq.(7.31)) rimangono comunque valide.
In generale, un modello realistico del ciclo Brayton dovrebbe anche tener conto delle perdite
di carico nella camera di combustione, nonché di quelle dovute al sistema di scarico ed al
filtraggio dell’aria in aspirazione: questo tuttavia non comporta complicazioni eccessive dal
punto di vista concettuale, ma solo un appesantimento nei bilanci. Una trattazione esauriente
ed applicativa delle turbine a gas è riportata nel testo di Lozza. A titolo di esempio si riporta
in Fig.26 (tratta dal testo suddetto) l’andamento di un ciclo reale sul diagramma T-s.
P.Di Marco – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Macchine Termiche 7-40