CICLI INVERSI

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 1

    TERMODINAMICA E TERMOFLUIDODINAMICA

    Cap. 6

    CICLI TERMODINAMICI DIRETTI ED INVERSI

    1

    4

    T

    s

    pminpmax

    2

    3

    Tmax

    Tmin

    s1= s4s2= s3

    a 2

    3

    TH

    QH = Qin

    TC

    |QC| = Qout

    |L-| = Lin |L+| = Lout

    Caldaia

    Condensatore

    PompaTurbina

    Sorgente termica

    (Bruciatore)

    Pozzo termico

    1

    4

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 2

    Cap. 6 Cicli termodinamici diretti ed inversiIndice

    1. Generalit sui cicli termodinamici diretti ed inversi2. Cicli termodinamici diretti a gas

    2.1 Ciclo di Carnot a gas2.2 Ciclo di Otto2.3 Ciclo di Diesel

    3. Cicli termodinamici diretti a vapore3.1 Ciclo di Carnot a vapore

    3.2 Ciclo di Rankine a vapore saturo3.3 Ciclo di rankine a vapore surriscaldato

    4 Cicli termodinamici inversi a vapore4.1 Ciclo inverso di Carnot a vapore

    4.2 Ciclo inverso a semplice compressione di vapore

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 3

    CICLI TERMODINAMICI DIRETTI E INVERSI

    Principali campi di applicazione della termodinamica

    Impianti di conversione

    di calore in lavoroImpianti di refrigerazione

    Motori termiciMacchine frigorifereMacchine a pompa di calore

    Cicli termodinamici diretti Cicli termodinamici inversi

    Cicli a gasCicli a vapore

    A seconda della fase del fluido evolvente: sempre in fase aeriforme nei cicli a gas, mentre

    nei cicli a vapore in fase aeriforme in parte del ciclo ed in fase liquida in parte del ciclo.

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 4

    Cicli termodinamici diretti e inversi

    Motori termici

    Motori a combustione interna Motori a combustione esterna

    Il calore viene fornito bruciandoun combustibile allinterno delsistema.Ci fa si che la composizione

    chimica del fluido evolventecambia durante il ciclo.Inoltre il circuito generalmenteaperto in quanto necessario adogni ciclo introdurre una nuovacarica di combustibile edespellere i prodotti dellacombustione

    Il calore viene fornito al fluidoevolvente da una sorgente esterna (adesempio un bruciatore, un reattorenucleare, una fonte geotermica o

    solare) per il tramite di unoscambiatore di calore.Ci fa si che il fluido evolvente possaessere sempre lo stesso allinterno diun circuito chiuso.

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 5

    CICLI TERMODINAMICI DIRETTI

    I cicli termodinamici delle macchinereali sono difficili da analizzare: effetti dissipativi assenza di condizioni di equilibrio

    termodinamico fluido non termodinamico

    Cicli idealidi riferimento

    Danno indicazioni sui parametri

    che influenzano le prestazionidel motore, ma i risultatinumerici non sononecessariamente rappresentatividel ciclo reale

    Principali idealizzazioni e semplificazioni

    1) Tutti gli attriti sono trascurati, per cui il fluido evolvente non subisce perdite dicarico scorrendo nelle tubazioni e negli apparati.2) Le trasformazioni di espansione e di compressione sono considerate reversibili.3) Vengono trascurate le dissipazioni termiche dalle tubazioni.4) Si ritengono trascurabili le variazioni di energia cinetica e di energia potenzialedel fluido evolvente.

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 6

    Cicli termodinamici direttiCiclo indicato di un motore a combustione interna ad accensione comandata

    e ciclo ideale di Otto ad aria standard

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 7

    Cicli termodinamici diretti

    Ciclo diretto di Carnot ideale

    E un ciclo termodinamico bitermico costituito da quattrotrasformazioni totalmente reversibili:1-2 Somministrazione isoterma di calore alla temperatura

    superiore di ciclo2-3 Espansione adiabatica reversibile (isoentropica)3-4 Cessione isoterma di calore alla temperatura inferioredi ciclo4-5 Compressione adiabatica reversibile (isoentropica)

    Pu essere eseguito: sia in un sistema chiuso (con un dispositivo cilindro-pistone) sia in un sistema aperto a flusso stazionario(mediante turbine e compressori)

    utilizzando come fluido evolvente sia un gas che unvapore

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 8

    Cicli termodinamici diretti

    Ciclo diretto di Carnot ideale

    T(K)

    TH

    TC

    1

    4 3

    2qH

    qC

    s1 = s4 s2 = s3

    ( )( )3 4

    2 1

    1 1C C

    H H

    T s s TT s s T

    = =

    qds

    T

    = q Tds =

    ( )

    2 2

    1 1

    2 1

    s s

    H H H Hs sq T ds T ds T s s= = =

    ( ) ( )4 4

    3 3

    4 3 3 4

    s s

    C C C C C

    s s

    q T ds T ds T s s T s s= = = =

    s, 1

    H C Cnettot Carnot

    H H H

    q q ql

    q q q

    = = = =

    , 1 C

    t Carnot

    H

    T

    T =

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 9

    CICLI TERMODINAMICI DIRETTI A GAS

    p

    v

    Q=03

    4

    1

    2TH

    TC

    vmaxvmin

    pmax

    pmin

    Ciclo OTTO ideale ad aria standard(ciclo di riferimento per i motori alternativia combustione interna a benzina)

    1-2 Compressione adiabatica reversibile2-3 Somministrazione di calore a volume costante3-4 Espansione adiabatica reversibile4-1 Cessione di calore a volume costante

    T

    s

    3

    2

    1

    4

    v = cost

    s1=s2 s3=s4

    T1T2

    T4

    T34 1

    , 13 2

    11 1t Otto k

    T T

    T T

    = =

    dovemax

    min

    v

    v= Rapporto volumetricodi compressione

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 10

    Cicli termodinamici diretti a gas

    Ciclo DIESEL ideale ad aria standard(ciclo di riferimento per i motori alternativia combustione interna a gasolio)

    p

    v

    Q=03

    4

    1

    2

    TH

    TCvmaxvmin

    pmax

    pmin

    v3

    T

    s

    3

    2

    1

    4

    v=cost

    s1=s2 s3=s4

    T1

    T2T4

    T3 p=cost

    1-2 Compressione adiabatica reversibile2-3 Somministrazione di calore a pressione costante3-4 Espansione adiabatica reversibile4-1 Cessione di calore a volume costante

    ( ) ( )4 1

    , 13 2

    1 11 11

    k

    t Diesel kT T

    k T T k

    = =

    dovemax

    min

    v

    v

    = Rapporto volumetrico

    di compressione

    3

    min

    v

    v= Rapporto di cut-off

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 11

    Cicli termodinamici diretti a gas

    Ciclo DIESEL ideale

    ad aria standard ( ) ( )

    4 1, 1

    3 2

    1 11 1

    1

    k

    t Diesel k

    T T

    k T T k

    = =

    max

    min

    v

    v=

    Ciclo OTTO idealead aria standard

    4 1, 13 2

    11 1t Otto kT TT T

    = =

    3

    min

    v

    v=dove

    Poich( )

    11

    1

    k

    k

    (=1 per = 1) a parit di , ,t Diesel t Otto TH e Tevap < TC

    T

    s

    pmin

    pmax

    1 2

    34

    Tcond

    Tevap

    s1= s4 s2= s3

    qH

    qC

    l+ l

    TC

    TH

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    G. Cesini Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 6_Cicli termodinamicii 26

    Cicli termodinamici inversi a vapore

    T

    s

    pminpmax

    1 2

    34Tcond

    Tevap

    s1=s4 s2= s3

    qH

    qC

    l+ l

    TC

    TH

    H condT T< C evapT T>

    2' 1'

    , '

    area(1'-2'-s -s )

    area(1'-2'-3'-4')

    C c

    f Carnotnetto H C

    q qCOP

    l q q= = =

    ( )

    ( )( ) ( )

    2' 1'

    ,

    3' 4'

    evap evap

    f Carnot

    cond evap cond evap

    T s s T COP

    T T s s T T

    = =

    , ' 1 111

    f Carnotcond H

    Cevap

    COPT T

    TT

    =