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Cap.7 - I cicli termici delle macchine motrici • le imperfezioni nel processo di combustione; • la dissociazione molecolare del fluido durante la combustione, che implica assorbimento di energia termica che viene “restituita” quando le molecole si ricombinano durante la successiva espansione. Questo fa sì che le prestazioni ottenute dallo studio dei cicli di riferimento siano abbastanza lontane da quelle reali. In particolare, come vedremo nel seguito, il rendimento effettivo di tali motori difficilmente supera il 35% (con l’eccezione di alcuni tipi di motori Diesel, come riportato più avanti). E’ necessario pertanto procedere in questo caso ad uno studio di natura più empirica, come accennato nel seguito. I valori caratteristici dei cicli Otto e Diesel reali sono riportati nella Tab.2. Otto Diesel (°) Rapporto di compressione volumetrico, r v 6-11 13-23 Temperatura fine compressione, T 2 , °C 350-550 700-900 Pressione fine compressione p 2 , bar 9-18 30-50 Pressione massima del ciclo p 3 , bar 35-50 60-90 Temperatura massima del ciclo T 3 , K ~ 2500 ~ 2000 Pressione media effettiva, p me , bar 8-14 7-12 Temperatura gas di scarico T 4 , °C 800-1000 600-700 Tabella 2: Parametri caratteristici dei motori a ciclo Otto e Diesel (°) esclusi i motori navali a basso numero di giri, v. nota nel testo Una rimarchevole eccezione ai dati della Tab.2 è costituita dai motori Diesel lenti per propulsione navale: si tratta di perfezionatissimi motori a due tempi, sovralimentati, a bassissimo numero di giri (60-120 rpm) con potenze dell’ordine di 3 MW per cilindro, che raggiungono rendimenti superiori al 50% (comparabili, attualmente, solo con quelli del ciclo combinato). La cilindrata di questi motori può superare i 20 m 3 , con potenze dell’ordine dei 50 MW e p me fino a 17 bar. Questi motori hanno soppiantato il ciclo a vapore e le turbogas sulle grandi navi (v. Della Volpe, Cap.14). Un’altra importante differenza tra i motori ad accensione comandata e quelli ad accensione spontanea consiste nel metodo di regolazione: nei motori Otto, essa è effettuata variando la quantità di aria aspirata mediante una valvola (la valvola a farfalla collegata all’acceleratore); nei motori Diesel, si varia la quantità di combustibile iniettata nelle camere di combustione (la portata di aria varia solo per effetto della variazione dei giri del motore). Per questo, ed anche per le peggiori condizioni di miscelazione col combustibile, nei motori Diesel si ha combustione in eccesso di aria, con minori temperature massime e ridottissima produzione di CO. Per contro, questi ultimi emettono in genere maggiori quantità di particolato. Potenza erogata da un motore alternativo La potenza erogata da un motore alternativo composto si può ottenere moltiplicando il lavoro utile per cilindro (Eq.(7.64)) per il numero, z, di cilindri per il numero di cicli compiuti nell’unità di tempo. Quest’ultimo, per un motore a quattro tempi il cui albero compie n giri al secondo, è dato da n/2, dato che il ciclo si compie in due giri dell’albero. Si ha pertanto W pist n n n VT = L z = z pmi ( V1 −V2 ) = pmi (7.76) 2 2 2 P.Di Marco – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Macchine Termiche 7-57
Cap.7 - I cicli termici delle macchine motrici dove V T è la cilindrata del motore. Questa espressione rappresenta la potenza ceduta al pistone, che è il primo organo mobile. Per ottenere la potenza all’albero del motore bisogna considerare le perdite dovute all’attrito meccanico e all’azionamento degli ausiliari, espresse da un rendimento η m . n V W 2 definendo la pressione media effettiva, p me come p T alb = ηm pmi (7.77) me si ottiene infine W = η p (7.78) m n V 2 mi T alb = pme (7.79) questa equazione indica che, a parità di pressione media effettiva, la potenza erogata è proporzionale alla cilindrata ed al numero di giri. Le grandezze devono essere espresse in unità SI. Una formula più comoda per l’uso pratico è data da n[rpm] VT [L] W alb[ kW] = pme [bar] (7.80) 300t dove t rappresenta il numero dei tempi del motore (4 o 2). La potenza all’asse delle ruote di un veicolo è ulteriormente inferiore a quella data dall’Eq.(7.80) a causa del rendimento meccanico della trasmissione. Alcuni costruttori (specie di piccoli motocicli) giocano su questo equivoco per “gonfiare” le prestazioni dei propri prodotti. ESEMPIO 7-14 – Pressione media effettiva di un motore automobilistico. Un motore automobilistico di 1600 cc a quattro tempi ha una potenza all’albero di 100 Cv, ad un regime di 5000 rpm. Determinare la pressione media effettiva. Si ha intanto W alb = 100 Cv = 100 (0.735 kW) = 73.5 kW. Dalla Eq.(7.80) si ottiene facilmente 300t 1200 p me = Walb = 73.5 = 11 bar n VT 5000⋅1.6 ESEMPIO 7-15 – Determinazione approssimativa della cilindrata di un motore. Si vuole realizzare un elettrogeneratore della potenza di 700 kW, tramite un motore ad accensione comandata, ad un regime di rotazione di 1500 rpm. Supponendo che la pressione media effettiva valga 11 bar, determinare la cilindrata approssimativa del motore richiesto, trascurando il rendimento di conversione elettrica. Dalla Eq.(7.80) si ottiene facilmente 300t 1200 VT = Walb = 700 = 51 L np me 1500⋅11 P.Di Marco – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Macchine Termiche 7-58
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Appunti ed Esercizi di Fisica Tecni
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Cap. 1. Nozioni introduttive di Ter
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Cap. 2. Cenni sui meccanismi di tra
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Cap. 2. Termodinamica degli stati I
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Cap. 2. Termodinamica degli stati m
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Cap. 2. Termodinamica degli stati u
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Cap. 2. Termodinamica degli stati F
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Cap. 3. Le equazioni di bilancio di
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Cap.5. L’equazione generalizzata
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Cap. 11. Scambiatori di calore Un t
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Cap. 11. Scambiatori di calore •
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Cap. 11. Scambiatori di calore La d
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Cap. 11. Scambiatori di calore cald
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Cap. 11. Scambiatori di calore ESEM
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Cap. 11. Scambiatori di calore (a)
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Cap. 11. Scambiatori di calore Effi
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Cap. 11. Scambiatori di calore di a
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Cap. 11. Scambiatori di calore BIBL
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Cap. 12. Combustione e generatori d
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Cap.14 -Principi di funzionamento d
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Appendici APPENDICE 1 - Equazioni d
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Appendici APPENDICE 3 - Proprietà
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Appendici Acqua Proprietà del liqu
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Appendici H2O p = 0.5 [MPa] Tsat =
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Appendici H2O p = 4.0 [MPa] Tsat =
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Appendici H2O p = 30.0 [MPa] T v u
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Appendici R717 - Ammoniaca Propriet
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Appendici R717 p = 0.4 [MPa] T v u
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Appendici R134a - Proprietà del li
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Appendici R134a - Liquido compresso
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Appendici R134a p = 0.30 [MPa] T v
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Appendici R600a - Isobutano Proprie
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Valori di c p , c v e k per vari ga
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Appendici APPENDICE 4 - Unità di m
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d) Unità di potenza Unità di misu
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Appendici V −3 3 1 = Mv1 = 1 ,5
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Appendici L tot = Q tot = 47 kJ Ese
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Appendici Esercizio 2.5 V 1 ⎛ 0.1
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T p 3 1−k k 3 = T p 2 1−k k 2 R
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Appendici Esercizio 2.17 T [°C] p
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Appendici t E ⎛ − ⎞ i( t) =
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Appendici Capitolo 4 Esercizio 4.1
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Appendici G ( s 2 GT ( c W = W ' t
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h − h η = ⇒ h = h −η h −
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Appendici In seguito all’espansio
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Appendici La portata massica (che r
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T G ( h − ) R 4 = T3 − ⋅ 2 h1
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Appendici 2 D Q = Aw = H πw 4 Da c
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Appendici Esercizio 5.6 −3 D = 20
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Appendici 4Q w = = 2, 21 m s D 2 H
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L’equazione di Bernoulli si può
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64 λ = c = = 0.1 Re 636 le perdite
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Appendici W ′ = G ⋅ e p L’ene
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Appendici cp ⎧ R ⎪ T2 p ⎛ 2 T
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Appendici h ≅ 4. 2T La variazione
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( a ) W c, min = G a f , i − f ,
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Appendici La potenza meccanica svil
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Appendici • il lavoro della turbi
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η = ( h − h4 ) − ( h2 − h1 )
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Appendici l’allievo può verifica
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Appendici ( − T ′′ ) quindi p
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Appendici dove 1 ⎛ 1 s 1 ⎞ 1 Rt
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Appendici WT Ts = + Ta = 53.2°C h
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Appendici a. il valore di T2; b. il
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Appendici punto 4: p 4 = 1 bar, T 4
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Appendici variazioni di energia cin
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Appendici ESERCIZIO C.13 (1996, gru
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Appendici pressione. Tutti i compon
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Appendici la tubazione può essere
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Appendici Soluzione La conduttanza
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Appendici 5. la potenza meccanica a
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Appendici W ' m = G ( h −h2 ) = G
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Appendici coefficiente di dilatazio
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Appendici mentre il termine di irre
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Appendici Soluzione (redatta da N.F
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Appendici G 6 = G 1 e per il bilanc
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Domanda 2: La potenza resa dalle po
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Appendici 1. la portata di vapore n
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Appendici Dove, essendo il moto lam
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Appendici alimenta la turbina, punt
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Appendici • proprietà fisiche de
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Gc 1 2 Gr 4 5 A C B Gs 6 Soluzione
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Appendici punto pressione temperatu
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Appendici h ac 2 wAB w (1 0.5) (0.7
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Appendici 4 A 4Gv 4 D = 4 π = w π
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Appendici La potenza erogata dalla
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• portata volumetrica di fluido i
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SOLUZIONI I valori numerici sono ot
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PROBLEMA 3 Domanda 1: Dalle tabelle
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